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Die vorliegende Anmeldung betrifft Schleifmittel bestehend aus keramischem Schleifkorn und gegebenenfalls weiteren Bestandteilen wie Bindemitteln und Füllstoffen sowie ein Verfahren zur Herstellung entsprechender Schleifmittel. Die Schleifmittel der vorliegenden Erfindung können Schleifscheiben, insbesondere Trennscheiben, oder Schruppscheiben sein.
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Herkömmliche Schleifscheiben bestehen im Wesentlichen aus Schleifkorn, welches mit einem Bindemittel wie Kunstharz zu einer Schleifscheibe verpresst wird.
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Herkömmliches Schleifkorn umfasst einzelne, nicht miteinander verbundene abrasive Schleifkörner. Die Kanten der einzelnen Schleifkörner bilden die Schneiden des Schleifkorns. Je nach Anwendung finden sich Größen der einzelnen Schleifkörner im Bereich von wenigen Mikrometern bis zu einigen Tausend Mikrometern. Die einzelnen Schleifkörner bestehen aus Kornwerkstoff. Zu den herkömmlich verwendeten Kornwerkstoffen zählen keramische Kornwerkstoffe wie Korund, Zirkonoxid oder Zirkonkorund. Einzelne Schleifkörner sind üblicherweise aus einer Vielzahl miteinander verbundener Mikroschneiden des Kornmaterials aufgebaut. Die Mikroschneiden besitzen im Wesentlichen zufällige geometrische Formen und finden sich in zufälliger räumlicher Anordnung in jedem einzelnen Schleifkorn. Auch die äußere geometrische Form einzelner Schleifkörner ist meist nicht vorgegeben. Es sind jedoch auch Körner mit vorgegebener geometrischer Form der einzelnen Schleifkörner bekannt.
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In herkömmlichen Schleifscheiben liegen die Schleifkörner statistisch verteilt in einem losen Schleifkornverband vor. Der Schleifkornverband wird durch das Bindemittel zusammengehalten. Das Bindemittel selbst zeigt in der Regel keine abrasiven Eigenschaften. In den bekannten Schleifscheiben sind aufgrund der statistischen Verteilung der einzelnen Schleifkörner auch die Schneiden des Schleifkorns bezüglich der Geometrie des Gesamtwerkzeuges im Wesentlichen zufällig orientiert und angeordnet.
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In herkömmlichen Schleifscheiben sind die einzelnen Schleifkörner meist durch einen weichen und temperaturempfindlichen organischen Binder fixiert. Aufgrund der schwachen Bindung kommt es bei herkömmlichen Kunstharzscheiben während des Schleifvorgangs häufig zu einem verfrühten Kornausbruch, das heißt einzelne Schleifkörner werden aus dem Kunstharzverband gelöst und ungenutzte Schleifmasse geht verloren.
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Ein alternatives Schleifmittel ist aus der deutschen Patentschrift
DE 198 05 889 C2 bekannt. Dort wird ein binderfreier Sinterkörper auf der Basis von Korund offenbart, welcher als Schleifkörper Verwendung finden kann. Der poröse Sinterkörper wird durch ein Imprägnier-Verfahren erhalten. Es herrscht auch hier keine vorgegebene geometrische Anordnung der einzelnen Schneiden im Sinterkörper. Der Sinterkörper ist insbesondere zur Bearbeitung von weichen Materialien wie Holz oder Kunststoff geeignet.
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Die Schleifleistung eines Schleifmittels ist beeinflusst durch die räumliche Anordnung der Schneiden des Schleifkorns bezogen auf die Geometrie des Gesamtwerkzeuges.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Schleifmittel bereitzustellen, welches eine gezielte Form der einzelnen Schleifkörner und eine gezielte räumliche Anordnung der Schleifkörner im Schleifmittel ermöglicht. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ferner, ein Schleifmittel bereitzustellen, welches eine gezielte räumliche Anordnung der Schneiden im Schleifmittel erlaubt. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ferner, ein Schleifmittel bereitzustellen, welches die Vermeidung eines verfrühten Kornausbruchs ermöglicht.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein sogenanntes Abrasivskelett für Schleifmittel der eingangs genannten Art, wobei das Abrasivskelett die Merkmale gemäß Anspruch 1 aufweist.
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Das Abrasivskelett ist aus einer Vielzahl einzelner Untereinheiten aus Kornwerkstoff aufgebaut. Verbindungsbrücken aus Kornwerkstoff zwischen benachbarten Untereinheiten verleihen dem Abrasivskelett eine selbstragende Struktur. Die Untereinheiten können zum Beispiel Ecken-, Flächen- oder Kanten-verknüpft sein.
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Zwischen den verbundenen Untereinheiten verbleiben Hohlbereiche zur Spanabfuhr. In verschiedenen Ausführungsformen verbleiben diese Hohlbereiche leer. In anderen Ausführungsformen enthalten die Hohlbereiche zusätzliche Komponenten wie Füllstoffe, Binder oder funktionelle Schleifadditive. Mit derartigen zusätzlichen Komponenten kann das Schleifverhalten angepasst werden.
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Durch die selbsttragende Struktur des Abrasivskeletts kann es möglich gemacht werden auf ein zusätzliches, stabilisierendes Armierungsgewebe, wie es in herkömmlichen Trennscheiben Einsatz findet, zu verzichten.
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Im Gegensatz zu den mittels Binder fixierten einzelnen Schleifkörnern in herkömmlichen Schleifscheiben, sind die Untereinheiten im Abrasivskelett durch Brücken aus hartem und temperaturstabilem, keramischem Kornwerkstoff fixiert. Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Abrasivskeletts ist daher, dass durch die räumlich ausgedehnte materialgleiche Fixierung der Untereinheiten im Abrasivskelett ein verfrühter Kornausbruch unter Verlust ungenutzter Schleifmasse vermindert werden kann.
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Die Anordnung der Schneiden im Abrasivskelett wird durch die Positionen der Untereinheiten im Abrasivskelett vorgegeben. Die einzelnen Schneiden sind daher bezüglich ihrer räumlichen Anordnung definiert. Durch das Abrasivskelett wird so eine gezielte räumliche Anordnung der Schneiden erreicht. Dies ermöglicht ein definiertes Schleifbild des Schleifwerkzeuges zu erzeugen.
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Im Gegensatz zu herkömmlichen Schleifmitteln kann mithilfe des erfindungsgemäßen Abrasivskeletts eine geordnete Geometrie der Schneiden in Bezug auf die Geometrie des Gesamtwerkzeuges erhalten werden. Durch eine derart geordnete Anordnung der Schneiden kann die Schleifleistung des Schleifmittels, im Vergleich zu herkömmlichen Schleifmitteln mit weniger oder gar nicht geordneten Schneiden, erhöht werden.
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Der Begriff „vorgegebene räumliche Anordnung der Untereinheiten“ umfasst zumindest eine zweidimensionale vorgegebene Anordnung der Untereinheiten des Abrasivskeletts innerhalb einer Ebene. Dies entspricht einer einzelnen Schicht von Untereinheiten.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Abrasivskelett eine dreidimensionale vorgegebene Anordnung der Untereinheiten. Diese Ausführungsform umfasst dann mehrere Schichten von Untereinheiten.
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In einer bevorzugten Ausführungsform besitzen die einzelnen Untereinheiten je eine vorgegebene geometrische Form. Auf diese Weise lässt sich neben der Position auch die Form und Orientierung der Schneiden im Abrasivskelett vorgeben.
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In einer Ausführungsform sind die Untereinheiten in regelmäßigen Abständen zueinander angeordnet.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die Untereinheiten in allen drei Raumrichtungen in regelmäßigen Abständen zueinander angeordnet.
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Eine regelmäßige Anordnung der Untereinheiten ermöglicht eine optimale Korndichte im Schleifmittel zu erzeugen. Zum Beispiel ermöglicht die regelmäßige Anordnung eine konstante lokale Korndichte über das gesamte Schleifmittel. Lokale Schwankungen der Korndichte können vermieden werden. Dies ist vor allem bei Schleifmitteln mit geringer Korndichte vorteilhaft. Ferner ermöglicht die regelmäßige Anordnung auch eine maximale Korndichte zu erhalten. Dies ist vor allem bei Schleifmitteln mit hoher Korndichte vorteilhaft.
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Einzelne Schleifkörner herkömmlicher Schleifmittel sind aus einer Vielzahl verbundener Mikroschneiden aufgebaut. Gleichermaßen weisen auch die Untereinheiten des erfindungsgemäßen Abrasivskeletts eine Mikrostrukturierung aufgebaut aus einer Vielzahl verbundener Mikroschneiden auf.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfassen einzelne Untereinheiten des Abrasivskeletts eine Vielzahl verbundener Mikroschneiden in vorgegebener räumlicher Anordnung. Gegebenenfalls sind die Mikroschneiden in regelmäßigen Abständen zueinander angeordnet.
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Zwischen den Mikroschneiden befinden sich Mikrorisse oder Mikrohohlbereiche des Kornmaterials. Durch das vorgegebene Muster aus Mikroschneiden und Mikrohohlbereichen kann das Splitterverhalten der Untereinheiten eingestellt werden.
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Die Erfindung betrifft keramische Kornwerkstoffe. Bevorzugte keramische Kornwerkstoffe sind Korund, Zirkonoxid, Zirkonkorund, Siliciumnitrid, Siliciumcarbid und Bornitrid oder Mischungen zwei oder mehrerer davon. Besonders bevorzugte keramische Kornwerkstoffe sind Korund, Zirkonoxid und Zirkonkorund.
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Schleifmittel umfassend das erfindungsgemäße Abrasivskelett. Gegebenenfalls umfasst das Schleifmittel eine oder mehrere weitere Komponenten ausgewählt aus Füllstoffen, Gewebe und Binder.
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In einer Ausführungsform ist das Schleifmittel eine Schleifscheibe, vorzugsweise eine Trennscheibe. In einer bevorzugten Ausführungsform entspricht die geometrische Form des Abrasivskeletts zumindest einer Teilform der geometrischen Form der Schleifscheibe.
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Das erfindungsgemäße Abrasivskelett kann durch bekannte Verfahren erhalten werden. Beispiele sind 3D-Druck, Photolithographie, Stereolithographie, Sol-Gel-Verfahren, Spritzgussverfahren, und Extrusionsverfahren.
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In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Größe des Abrasivskeletts im Bereich von 1 Millimeter bis 200 Millimeter.
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In einigen Ausführungsformen entspricht das Abrasivskelett in Größe und Form zumindest einem Ausschnitt oder Segment einer herkömmlichen keramischen Schleifscheibe. In einigen Ausführungsformen entspricht das Abrasivskelett in Größe und Form einer gesamten herkömmlichen keramischen Schleifscheibe. In diesen Ausführungsformen entsprechen die Abmessungen des Abrasivskeletts folglich den Abmessungen von Teilen oder der Gesamtform herkömmlicher Trennscheiben.
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Bevorzugte Größen der einzelnen Untereinheiten des Abrasivskeletts liegen im Bereich von 0,1 Millimeter bis 5 Millimeter. Allgemein liegen bevorzugte Größen der einzelnen Untereinheiten im Bereich bevorzugter Größen einzelner Schleifkörner in herkömmlichen keramischen Schleifmitteln.
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Bevorzugte Größen der einzelnen Mikroschneiden der Untereinheiten des Abrasivskeletts liegen im Bereich von 10 Mikrometer bis 100 Mikrometer, vorzugsweise bei etwa 30 Mikrometer. Allgemein liegen bevorzugte Größen der einzelnen Mikroschneiden im Bereich bevorzugter Größen einzelner Mikroschneiden in herkömmlichen keramischen Schleifmitteln.
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Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem auch ein Verfahren zur Herstellung eines Abrasivskeletts für Schleifmittel. Das Verfahren umfasst in einem ersten Schritt das Bereitstellen einer ersten Schicht einer fotosensitiven Mischung umfassend einen Kornwerkstoff oder einen Precursor davon und ein fotosensitives Polymer. Die Mischung kann beispielsweise in Form eines Pulvers oder in Form einer Suspension vorliegen. In einem zweiten Schritt werden ausgewählte Teilbereiche der Schicht mit einer geeigneten Lichtquelle belichtet. Durch die Belichtung der fotosensitiven Schicht wird in dieser eine photochemische Reaktion ausgelöst, die den belichteten Bereich fixiert. Die gezielte Belichtung von Teilbereichen lässt sich beispielsweise mithilfe eines fokussierten UV-Lasers, welcher relativ zur Schicht verfahren werden kann, erreichen. Herkömmlich erhältliche UV-Laser erreichen dabei Auflösungen von bis zu etwa 30 Mikrometern. Weitere Beispiele geeigneter Lichtquellen sind Laser anderer Wellenlängen außerhalb des UV-Bereichs oder LED-Projektionssysteme. In einem optionalen dritten Schritt werden gegebenenfalls eine oder mehrere weitere Schichten fotosensitiver Mischung bereitgestellt, wobei nach dem Bereitstellen einer jeden weiteren Schicht zunächst ausgewählte Teilbereiche der Schicht belichtet werden. In einem vierten Schritt wird die fotosensitive Mischung aus den nicht-belichteten Teilbereichen entfernt. Dies geschieht üblicherweise durch Herausblasen der Mischung im Gasstrom oder durch Ausspülen der Mischung mithilfe eines Lösungsmittels. In einem fünften Schritt werden durch thermische Behandlung verbleibende Polymerkomponenten entfernt und schließlich das fertige Abrasivskelett durch thermisches Sintern erhalten.
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Die erfindungsgemäßen Schleifmittel sind für die Bearbeitung beliebiger Werkstoffe und insbesondere für die Bearbeitung harter Werkstoffe wie zum Beispiel Stahl geeignet.
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Merkmale, die im Zusammenhang mit einzelnen Ausführungsformen beschrieben sind, können, soweit nichts anderes angegeben ist, auch im Zusammenhang mit anderen Ausführungen eingesetzt werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
- 1 schematischer Aufbau eines Abrasivskeletts;
- 2 Schleifscheibe umfassend Segmente aus Abrasivskelett;
- 3 Schleifscheibe bestehend aus einem Abrasivskelett;
- 4 Abrasivskelett mit vorgegebener Anordnung von Mikroschneiden; und
- 5 Schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Abrasivskeletts.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Abrasivskelett für Schleifmittel 10. Das Abrasivskelett 10 umfasst mehrere Hohlbereiche zur Spanabfuhr 12. Die Hohlbereiche 12 sind durch abrasive Untereinheiten aus Kornwerkstoff 14 umschrieben. Das Abrasivskelett 10 umfasst eine Vielzahl identischer Untereinheiten 14 in vorgegebener räumlicher Anordnung. Zur Veranschaulichung des Skelettaufbaus ist in 1 eine einzelne Untereinheit 14 durch eine gestrichelte Umrandung hervorgehoben. Benachbarte Untereinheiten 14 sind durch Brücken aus Kornwerkstoff 16 miteinander verbunden. Im Ausführungsbeispiel der 1 sind diese Brücken 16 durch die Kontaktflächen benachbarter Untereinheiten 14 definiert. Es ergibt sich ein einstückiges Abrasivskelett 10.
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Die Kanten des Abrasivskeletts 10 bilden dessen Schneiden. Die Form und die geometrische Anordnung der Kanten werden durch die Form und die geometrische Anordnung der Untereinheiten 14 definiert. Die vorgegebene, geordnete Anordnung der Untereinheiten 14 liefert folglich eine vorgegebene Anordnung der Schneiden im Abrasivskelett 10.
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2 zeigt ein erfindungsgemäßes Schleifmittel in Form einer Schleifscheibe. Die Schleifscheibe umfasst zwei Segmente, welche jeweils aus einem Abrasivskelett 10 aufgebaut sind. Der vergrößerte Bereich veranschaulicht die Untereinheiten 14 des Abrasivskeletts 10. Die Segmente aus Abrasivskelett 10 besetzen vorgegebene Positionen in der Schleifscheibe. Die geometrische Anordnung der Schneiden der Segmente aus Abrasivskelett 10 ist durch die Anordnung der Untereinheiten 14 im Abrasivskelett 10 vorgegeben. Durch das Einbringen dieser Segmente wird eine gezielte Anordnung der Schneiden bezüglich des zu schleifenden Werkstücks erreicht. Der verbleibende Teil der Schleifscheibe kann aus herkömmlichem Schleifscheibenmaterial 11 bestehen.
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Neben der in 2 gezeigten Ausführungsform ist eine Vielzahl weiter Ausführungsformen unter Variation von Anzahl und/oder geometrischer Form der Segmente aus Abrasivskelett 10 möglich.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schleifmittels in Form einer Schleifscheibe. Die gesamte Schleifscheibe besteht aus einem einzigen, einstückigen Abrasivskelett 10. Der vergrößerte Bereich veranschaulicht erneut die Untereinheiten 14 des Abrasivskeletts 10. Wie in der Ausführungsform in 2 wird eine gezielte Anordnung der Schneiden bezüglich des zu schleifenden Werkstücks erreicht. Ferner ist das Abrasivskelett 10 der 3 selbsttragend. Somit kann auf die Zugabe eines Binders zum Schleifmittel verzichtet werden. Ferner kann es somit möglich sein auf die Verwendung eines Armierungsgewebes in der Schleifscheibe zu verzichten.
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4 zeigt eine einzelne Untereinheit 14 des Abrasivskeletts 10. Benachbarte Untereinheiten 14 sind durch gestrichelte Linien angedeutet. Die Untereinheit 14 der in 4 gezeigten Ausführungsform weist eine geordnete Mikrostrukturierung 18 auf. Untereinheit 14 umfasst eine Vielzahl verbundener Mikroschneiden 20 in vorgegebener räumlicher Anordnung. Zwischen benachbarten Mikroschneiden 20 befinden sich Mikrohohlbereiche 22.
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Wird das Abrasivskelett 10 in einem Schleifmittel zum Einsatz gebracht, so wird während des Schleifvorgangs sukzessive Material der Untereinheiten 14 abgetragen. Ähnlich wie im Falle herkömmlichen Schleifkorns splittern dabei die Untereinheiten 14 in Abhängigkeit der Struktur und Anordnung ihrer Mikroschneiden 20. Dabei bilden sich stetig neue Schneiden einer Untereinheit 14 aus, bevor die Untereinheit 14 schließlich gänzlich aus dem Abrasivskelett 10 bricht. Neue Schneiden werden dann von darunter liegenden Untereinheiten 14 bereitgestellt.
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Die vorgegebene Anordnung der Mikroschneiden 20 ermöglicht eine gezielte Beeinflussung des Splitterverhaltens der Untereinheit 14 während des Schleifvorgangs. Somit lässt sich die Anordnung neugebildeter Schneiden durch die gezielte Mikrostrukturierung 18 steuern. Auf diese Weise kann eine vorgegebene Anordnung der im Schleifvorgang neugebildeten Schneiden bezüglich des zu schleifenden Werkstücks erreicht werden.
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5 zeigt in schematischer Darstellung entlang der Verfahrensschritte I bis VI ein Verfahren zur Herstellung eines Abrasivskeletts 10. Zunächst wird eine Schicht einer fotosensitiven Mischung 24 aus einem Precursor des Kornwerkstoffs und einem fotosensitiven Polymer bereitgestellt (Schritt I). Mit einem Laser 26 werden dann sukzessive ausgewählte Teilbereiche 28 der Schicht durch Belichtung photochemisch fixiert (Schritte II und III). Ein einzelner belichteter Teilbereich 28 gibt dabei die geometrische Form einer späteren abrasiven Untereinheit 14 des Abrasivskeletts 10 vor. Die Summe aller belichteten Teilbereiche 28 gibt in gleicher Weise die geometrische Form des gesamten späteren Abrasivskeletts 10 vor. Nach dem Belichtungsvorgang wird überschüssige fotosensitive Mischung aus nichtbelichteten Teilbereichen entfernt. Dies geschieht bevorzugt durch Herausblasen der Bereiche im Gasstrom oder durch Herausspülen der Bereiche mithilfe eines Lösungsmittels. Es verbleibt ein Grünkörper 30 für das Abrasivskeletts 10 (Schritt IV). Der Grünkörper 30 wird in einem Ofen 32 thermisch behandelt (Schritt V). In einem ersten Heizschritt werden dabei Polymerrückstände entfernt. In einem zweiten Heizschritt wird die Temperatur weiter erhöht, sodass der Precursor des Kornwerkstoffs durch thermisches Sintern den finalen Kornwerkstoff bildet. Es verbleibt das fertige Abrasivskelett 10 (Schritt VI).
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Die vorstehenden Ausführungen dienen lediglich der Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung und sind nicht limitierend auszulegen. Selbstverständlich wird ein Fachmann einzelne oder alle Merkmale, die im Zusammenhang mit einzelnen Ausführungsformen beschrieben sind, auch mit anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kombinieren.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Abrasivskelett für Schleifmittel
- 11
- herkömmliches Schleifscheibenmaterial
- 12
- Hohlbereich zur Spanabfuhr
- 14
- Untereinheit
- 16
- Brücke
- 18
- Mikrostrukturierung
- 20
- Mikroschneide
- 22
- Mikrohohlbereich
- 24
- fotosensitive Mischung
- 26
- Laser
- 28
- belichteter Teilbereich
- 30
- Grünkörper
- 32
- Ofen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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