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Vorrichtung zur Bestimmung der Betriebslebensdauer
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eines Werkzeugs Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bewertung
oder Bestimmung der Betriebslebensdauer eines Werkzeugs, z.B.-eines Bohrers.
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Bei der Herstellung beispielsweise eines laminierten
Substrats mit einer dünnen Kupferfolie werden mit Hilfe von Bohrern zahlreiche kleine
Bohrungen hergatellt. Güte und Genauigkeit der Oberfläche des laminierten Substrats
nach dem Bohrvorgang, z.B. OberflächenrauhlgReit, sowie die Haftung von Kunstharz
werden durch die effektive Lebensdauer, d.h. den Abnützungsgrad des Bohrers stark
beeinflußt. Mit anderen Worten: Solange der Bohrer scharf ist und eine ausgezeichnete
Schnittfähigkeit besitzt, kann von der hergestellten Bohrung eine ausgezeichnete
Güte erwartet werden. Sobald der Bohrer rauh bzw. jedoch einen gewissen Verschleiß
zeigt, wlrd die Bohrungsfläche/ grob, so daß Kunstharz an dieser groben bzw. rauhen
Fläche wird haftet. Zur Vermeidung dieses Nachteils
häufig die Zahl der mit einem Bohrer durchzuführenden Arbeitsgänge auf einen vorbestimmten
Wert von z.B. 3000 Bohrvorgängen beschränkt; sobald dann die vorbestimmte Arbeitsgangzahl
erreicht ist, wird der BolXler durch einen neuen ersetzt. Die Betriebslebensdauer
der imHandel erhältlichen Bohrer unterliegt jedoch
großen Schwankungen.
Beispielsweise reicht die Betriebslebensdauer einiger Bohrer nur für 500 Bohrungen,
während mit anderen Wenn also die Bohrern 5000 oder mehr Bohrungen gefertigt werden
können .1 Lebensdauer eines Bohrers - durch die Zahl der mit ihm durchführbaren
Arbeitsgänge bestimmt wird, besteht die Gefahr dafür, daß unter Verwendung abgenützter
oder ungenau arbeitender Bohrer unzufriedenstellenje laminierte Drucksubstrate o.dgl.
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hergestellt werden.
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Bei einem anderen Verfahren zur Bestimmung der Betriebslebensdauer
eines Bohrers wird die Form der beim Bohrvorgang anfallenden Späne als Grundlage
für diese Bestimmung herangezogen.
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Auch bei diesem Verfahren ist die Beziehung zwischen der Lebensdauer
des Bohrers und der Form der Späne nicht maßgeblich. Da außerdem eine solche Bestimmung
normalerweise durch Sichtbeobachtung erfolgt, ist das Ergebnis dieser Bestimmung
oder Bewertung nicht schlüssig. Die bisher angewandten Verfahren zur Überwachung
der Betriebslebensdauer von Bohrern sind daher nicht genau, und sie erfordern u.mständliche
Operationen, Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer verbesserten und
zweckmäßigen Vorrichtung zur Bestimmung der effektiven Betriebslebensdauer eines
Werkzeugs, mit deren Hilfe die Betriebslebensdauer automatisch und genau bestimmt
werden kann.
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Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zur Bestimmung der effektiven
Betriebslebensdauer eines Werkzeugs, mit einem Detektor zur Erzeugung eines elektrischen
Signals entsprechend dem Bearbeitungswiderstand eines Werkstücks, einer Signalverarbeitungseinrichtung
zur
Verarbeitung des elektrischen Signals, einem Komparator zur Erzeugung eines Impulses,
wenn das Ausgangssignal der Signalverarbeitungseinrichtung von einem vorbestimmten
Bezugssignal abweicht, und einer EinrIchtung zur Bestimmung der nutzbaren Betriebslebensdauer
des Werkzeugs in Abhängigkeit vom Ausgangs signal des Komparators, erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß die Betimmungseinrichtung einen ersten Zähler zum Zählen der
Impulse vom Komparator, einen zweiten Zähler zum Zählen einer vorbestimmten Zahl
von Messungen des Bearbeitungswiderstands des Werkstücks durch den Detektor und
eine Einrichtung zum Vergleichen der Zählungen des ersten und des zweiten Zählers
zur Bestimmung der nutzbaren Betriebslebensdauer des ;Werkzeugs aufweist.
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Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand
der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Aufsicht auf ein
Bohrkraftmeßgerät, das auf dem Tisch einer numerisch gesteuerten Bohrvorrichtung
montiert ist, Fig. 2 einen Schnitt zur Darstellung des Aufbaus des Bohrkraftmessers
gemäß Fig. 1, Fig. 3 und 4 schematische Darstellungen zur Erläuterung des Arbeitspfinzips
des Bohrkraftmessers gemäß Fig. 2, Fig. 5 und 6 graphische Darstellungen der Wellenformen
der mittels des Bohrkraftmessers gemäß Fig. 2 ermittelten Drehmoment- und Schubkräfte,
Fig. 7 ein Blockschaltbild einer Aus führungs form der Erfindung
und
Fig. 8 bis 14 graphische Darstellungen von Signalwellenformen zur Erläuterung der
Arbeitsweise der Vorrichtung gemäß Fig. 7.
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Die in den Figuren dargestellte Vorrichtung zur Bewertung oder Bestimmung
der nutzbaren bzw. effektiven Betriebslebensdauer eines Bohrers enthält einen Bohrkraftmesser,
der als Detektor zur Lieferung eines , elektrischen Signals dient, welches den Widerstand
bei einem Bohrvorgang angibt. Der Bohrkraftmesser dient zur Erzeugung eines elektrischen
Signals mit einer Spannung, welche der Größe des während des Bohrvorgangs durch
den Bohrer auf das Werkstück ausgeübten Drehmoments oder Schubs proportional ist.
Der Bohrkraftmesser ist auf dem Tisch 2 einer numerisch gesteuerten Bohrvorrichtung
1 (Fig. l) montiert, auf dem auch ein als laminiertes bedrucktes (Schaltungs)-Substrat
dargestelltes Werkstück montiert ist. Der Bohrkraftmesser 4 weist einen Hauptkörper
5 und eine Werkstück-Vorschubvorrichtung 7 auf, die für den automatischen Vorschub
eines Prüflings 6 mit derselben Konstruktion wie das Substrat 3 dient.
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Die Vorschubvorrichtung 7 weist einen Impuls- bzw. Schrittschaltmotor
8, eine von letzterem angetriebene GXwindespindel 9 und einen durch deren Drehung
verschiebbaren Schieber bzw. GLeitstück 10 auf. Bei eingeschaltetem Motor 8 wird
der Schieber 10 in Richtung auf den Körper 5 verschoben, so daß der Prüfling 6 bei
jeder Messung des Bohrwiderstands schrittweise über ein vorbestimmtes Stück durch
den Körper 5 weitergeschoben wird.
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Der Motor 8 wird dabei in Übereinstimmung mit dem Programm des numerischen
Steuersystems betrieben. Beispielsweise wird
der Tisch 2 längs
einer X-Achse 11 und einer Y-Achse 12 so verschoben, daß der Bohrer, wenn er im
laminierten Substrat 3 etwa 200 Bohrungen hergestellt hat, in eine Position über
dem Körper 5 des Bohrkraftmessers 4 gebracht wird. Unter diesen Bedingungen wird
dann der Bohrwiderstand beim Bohrvorgang am Prüfling 6 erstmals gemessen, und nach
Abschluß dieser Messung wird der Impuls- oder Schrittschaltmotor durch die numerische
Steueranlage eingeschaltet, um den Prüfling 6 um einen Schritt aufwärts zu verschieben.
In diesem Zustand wird dann die zweite Bohrwiderstandsmessung durchgeführt. Diese
Messungen erfolgen nacheinander, und wenn vier Bohrwiderstandsmessungen durchgeführt
worden sind, wird der Tisch 2 verschoben, um den Bohrer in die nächste Bohrposition
am Substrat 3 zu bringen, oder der Bohrer wird, je nach dem Ergebnis der Messung,
durch einen neuen Bohrer ersetzt.
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Im folgenden sind die Konstruktionseinzelheiten des Körpers 5 des
Bohrkraftmesrs 4 anhand der Fig. 2 bis 4 erläutert, Gemäß Fig. 2 besteht der Körper
5 aus einem bodenseitig geschlossenen, zylindrischen Gehäuse 21, das an seiner Innenwand
mit einer Schulter 22 versehen ist. Der Rand ' 23a einer Membran 23 ist dabei mittels
Schrauben 21a an der Schulter 22 befestigt.
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Die Membran 23 besitzt einen dicken Umfangs-Rand 23a und einen dicken
Mittelteil 23b, die durch einen dünnen Stegabschnitt 23c miteinander verbunden sind,
welcher die Membran in lotrechter Richtung flexibel macht. Der starr ausgebildete
Mittelteil 23b ist in seinem Zentrum mit einem Anguß 23d versehen.
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Unter dem Mittelteil 23b der Membran 23 ist ein flachscheibenförmiges
Tragglied
24 angeordnet, und zwischen beide Teile ist ein schubmessendes piezoelektrisches
Element P1 einge-
fügt. Das Tragglied 24 wird durch eine . relnstellschrauDe 2> die durch den Boden
des Gehäuses 21 hindurchgeschraubt ist, nach oben gedrückt.Der Prüfling 6 wird durch
einen Halter 26 gehalten, dessen Außenumfang von einer kreuzförmigen Feder 27 gehaltert
wird. Diese Feder unterstützt auf die in Fig. 3 gezeigte Weise den Halter 26 über
das Gehäuse 21. Die offene Oberseite des Gehäuses 21 ist durch einen zweckmäßigen
Deckel 28 verschlossen.
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An der Unterseite des Halters ist ein Ansatz 26a vorgesehen, an welcher
drehbar einen Ansatz 23e/der Oberseite des Mittelteils 23b der Membran 23 aufnimmt.
Zwischen die beiden Ansätze 26a und 23e ist ein drehmomentmessendes piezoelektrisches
Element P2 eingefügt. Gemäß Fig. 3 erfolgt die Einstellung des Vordrucks bzw. der
Vorbelastung mit Hilfe einer am Ansatz 23e angreifenden Einstellschraube 30. Zwischen
den Halter 26 und die Oberseite des Angusses 23d ist eine Stahlkugel 31 eingesetzt,
die eine gleichmäßige bzw. reibungsarme Drehung des Halters gewährleistet und die
gleichzeitig zur Schubübertragung dient.
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Der Bohrwiderstand beim Bohren des Prüflings 6 wird mit Hilfe des
vorstehend beschriebenen Bohrkraftmessers wie folgt ermittelt: Der Prüfling 6 wird
auf die in Fig. 2 gezeigte Weise am Halter 26 befestigt, und ein Bohrer D wird,
wie durch den Pfeil C gezeigt, in Abwärtsrichtung vorgeschoben, während er auf die
durch den Pfeil B angedeutete Weise in Drehung versetzt wird. Bei der auf diese
Weise erfolgenden Einleitung
eines Bohrvorgangs werden auf ' den
Prüfling 6 ein Drehmoment und ein Schub ausgeübt.
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Die Richtung des Drehmoments ist ebenfalls durch den Pfeil B (Fig.
3) angedeutet. Das piezoelektrische Drehmomentmeßelement P2 ist dabei zwischen dem
Ansatz 23e der Membran 23 und dem Ansatz 26a des Halters 26 verspannt. Infolgedessen
wird das Element P2 durch einen dem auf den Prüfling 6 wirkenden Drehmoment entsprechenden
Druck verpreßt, so daß es ein enstsprechendes elektrisches Signal erzeugt. Durch
Verwendung eines Prüflings 6 aus dem gleichen Werkstoff wie das Werkstück kann ohne
weiteres zu jedem beliebigen Zeitpunkt der Abnützungsgrad bzw. die restliche Betriebslebensdauer
des Bohrers bestimmt werden. Fig. 5 veranschaulicht ein Beispiel für eine Wellenform
eines elektrischen Signals welches das Drehmoment für den Fall angibt, daß ein ultraharter
Bohrer mit einem Durchmesser von o,8 mm bei einer Drehzahl von 80,000 U/min und
einer Vorschubgeschwindigkeit von 0,03 mm/Umdrehung eine Bohrung durch ein laminiertes
gedrucktes bzw. Drucksubstrat 1 herstellt. Während der Drehmomentmessung wirkt die
Membran 23 als starrer Körper in Drehrichtung des Bohrers. Die Drehbewegung des
Halters 26 wird durch die kreuzförmige Feder ermöglicht.
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Der beim Bohrvorgang auf - , den Prüfling 6 einwirkende Schub beaufschlagt
das piezoelektrische Schubmeßelement P1 auf dem Tragglied 24 über den Halter 26,
die Stahlkugel 31 und die Membran 23 (vergl. Fig. 4). Dabei verlagert sich der Halter
26 unter Halterung durch die kreuzförmige Feder 27 abwärts, so daß er einen dem
Schub entsprechenden Dick auf
das piezoelektrische Element P1 ausübt,
wobei sich die Membran 23 aufgrund ihrer beschriebenen Konstruktion in lotrechter
Rfthtung durchbiegen kann. Hierbei erzeugt das piezoelektrische Element P1 ein elektrisches
Signal entsprechend dem den Prüfling 6 beaufschlagenden Schub. Fig. 6 veranschaulicht
ein Bei-Schutz spiel für eine
die unter den gleichen Bedingungen bestimmt wurde wie die Kurve gemäß Fig. 5.
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Wie erwähnt, können also Drehmoment und Schub ohne weiteres anhand
der
von den piezoelektrischen Elementen P2 bzw. P1 gelieferten elektrischen Signale
ermittelt werden, während die Vorbelastungseinstellungen vor der Messung ohne weiteres
durch Verdrehen der Einstellschrauben 30 und 25 vorgenommen werden können.
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Da der den Bohrwiderstand messende Bohrkraftmesser gemäß Fig. 1 auf
dem in Richtung der Achsen X und Y verschiebbaren Tisch montiert ist, braucht das
Werkstück bei jeder Messung oder Bestimmung der nutzbaren Lebensdauer des Bohrers
nicht vom Tisch gelöst zu werden, wodurch der Meßvorgang vereinfacht wird. Infolgedessen
können jederzeit genaue Bohrungen gewährleistet werden, wie dies bei der Bearbeitung
von laminierten bedruckten Substraten bzw, Schaltungsplatten besonders wünschenswert
ist.
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Gemäß Fig. 7 werden die von den piezoelektrischen Elementen P1 und
P2 abgegebenen Signale einzeln oder gemeinsam als Ausgangssignal des Bohrkraftmessers
40 an einen i rstErker 41 angelegt. Es ist jedoch zu beachten, daß der Bohrkraftmesser
40 nicht auf die beschriebene Konstruktion beschränkt ist.
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Da das Ausgangs signal des Bohrkraftrnessers 40 eine niedrige Spannung
besitzt und komplizierte, vom Bohrvorgang herrührende Komponenten enthält, wird
die Wellenform des Signals nach der Verstärkung des Ausgangssignals im Verstärker
41 durch ein Filter 42 geformt. In der folgenden Beschreibung wird ein vom P1 piezoelektrischen
Element/erzeugtes Schubsignal als das Signal zur Bestimmung des Bohrwiderstands
vorausgesetzt. Nach der Verstärkung besitzt das Schubsignal die Wellenform gemäß
Fig. 8, und nach der Formung durch das Filter besitzt es die geglättete Wellenform
gemäß Fig. 9. Im Fall von Fig. 9 besitzt das Filter eine Abschalt- oder Grenzfrequenz
von 1000 Hz; bei Verwendung eines Tiefpaßfilters mit einer Grenzfrequenz von 100
Hz wird jedoch die noch weiter geglättete Wellenform gemäß Fig0 10 erhalten. Selbstverständlich
können der Verstärkungskoeffizient des Verstärkers 41 und die Grenzfrequenz des
Filters 42 je nach den Anwendungsbedingungen auf beliebige Werte festgelegt werden.
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Das Ausgangssignal des Filters 42 wird durch einen Integrator 43 integriert
und dann an den einen Eingang eines Komparators 44 angelegt. An den anderen Eingang
des Komparators 44 wird eine Bezugsspannung Eg angelegt, so daß dieser Komparator
ein Ausgangssignal an einen Zähler 45 liefert, wenn das Ausgangssignal El des Integrators
größer ist als die Bezugsspannung E0-.
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Die Fig. 11 und 12 veranschaulichen die Beziehung zwischen dem Schub
eines Bohrers und der Zahl von Bohrvorgängen. Fig. 11 zeigt dabei die Schubkurve
beim ersten Bohrvorgang, bei dem der maximale Schub etwas mehr als 0,5 kg beträgt.
Bei der 8000, Bohrung steigt der Schub dagegen gemäß Fig. 12 auf etwa 1,2 kg an;
dies bedeutet, daß sich der maximale Schub
aufgrund von Bohrerverschleiß
auf etwa das Doppelte erhöht hat.
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Diese Daten wurden mit einem Bohrer mit 0,8 mm Durchmesser ermittelt,
der mit einer Drehzahl von 80.000 U/min bei einer Vorschubgeschwindigkeit von 0,03
mm/Umdrehung betrieben wurde.
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Der Pegel der Ausgangsspannung E. des Integrators 43 variiert ebenfalls
in Abhängigkeit von der Größe des Schubs. Wenn der Schub daher z.B. gemäß Fig. 11
klein ist, ist das Integrator-Ausgangssignal Ei ebenfalls klein, d.h. es liegt z.B.
bei etwa 3,5 V gemäß Fig. 13. Bei gemäß Fig. 12 ansteisgendem Schub wird das Integrator-Ausgangssignal
dagegen groß, und es erreicht z.B. gemäß Fig. 14 etwa 8,5 V. Aus diesem Grund ist
es durch Einstellung einer zweckmäßigen Bezugsspannung Eo 44 möglich, ein Ausgangs
signal vom Komparator/zu erhalten, wenn die nutzbare Lebensdauer des Bohrers erreicht
ist und der Schub einen vorbestimmten Wert ilberschritten hat. Obgleich in den Figuren
nicht dargestelltß sind zweckmäßige Einrichtungen zur Änderung der Bezugsspannung
Eo in Abhängigkeit von den jeweiligen Arten des Bohrers und des Werkstücks vorgesehen.
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Der Zähler 45 ist ein auf einen Inhalt von 2 voreingestellter 4 Bit-Zähler,
der durch ein Ubertragausgangssignal von einem 46 4 Bit-Zähler/ rückgestellt wird,
welcher eine vorbestimmte Zahl von Bohrwiderstandsmessungen in Abhängigkeit vom
Ausgangssignal des Bohrkraftmessers 40 zählt. Der Zweck der Verwendung der Kombination
aus zwei Zählern 45 und 46 besteht in der bei den statistischen Verarbeitung variierender
Widerstände ' EBohrvorgängen, um dabei das Ende der Betriebslebensdauer des Bohrers
entsprechend dem Verhältnis zwischen der Zahl der vom Zähler 46 - gezählten Messungen
Nn
und der Zahl von Messungen N1 im Fall von Eo < EiimBeim vorliegenden
Beispiel,
bei dem die Beziehung E0 C E1 bei der Durchführung von vier Messungen mehr als zweimal
erscheint, erzeugt der auf 2 voreingestellte 4 Bit-Zähler 45 ein Übertrag ausgangssignal,
das als das Signals zur Angabe des Endes der Betriebslebensdauer des Bohrers benutzt
wird, um der numerischen Steueranlage ein Befehlssignal zum Unterbrechen des Bohrvorgangs
und zum Auswechseln des Bohrers einzugeben. Falls kein Übertragsignal durch den
Zähler 45 erzeugt wird, wird der numerischen Steueranlage über einen Umsetzer 47
einBefehlssignal zur Fortsetzung des Bohrvorgangs übermittelt. Wenn bei der ersten
Vorrichtung gemäß Fig. 4 die Ergebnisse <1er/beiden von vier Messungen der Bedingung
E0 < Ei entsprechen, erzeugt der Zähler 45 ein Übertragsignal, bevor der Zähler
46 ein Rückstellsignal anlegt und dadurch den Bohrvorgang unterbricht. In diesem
Fall wird zur Rückführung der Gesamtanlage in den Zustand vor Einleitung der Messung
von der numerischen Stueranlage ein Frei-Signal zu den Zählern 45 und 46 geliefert,
wenn der Bohrvorgang unterbrochen oder der Bohrer ausgewechselt wird.
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Die Messung des Bohrwiderstands wird beispielsweise bei jedem 200.
Bohrvorgang vorgenommen, und die Bohrarbeiten werden unter t der Steuerung durch
die numerische Steueranlage fortgeführt, bis das Ende der nutzbaren Betriebslebensdauer
des Bohrers erreicht
oder der Bohrvorgang an einem Werkstück abgeschlossen ist.
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Während bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ein Bohrkraftmesser
zur Messung des beim Bohren erzeugten Widerstands verwendet wird, kann jede beliebige
andere Meßeinrichtung verwendet werden, welche die änderung einer physikalischen
Größe,
wie der Schneidtemperatur und der Zahl der Umdrehungen der Antriebswelle, infolge
Abnützung des Bohrers als eine elektrische Größe festzustellen vermag. Mit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung kann auch die nutzbare Betriebslebensdauer eines beliebigen anderen
Schneidwerkzeugs, z.B. eines Bohrkopfes oder Schneidstahls, ermittelt werden. Wenn
die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Werkstück-Zufuhrvorrichtung und einer
Werkzeugwechselvorrichtung kombiniert wird, kann eine vollautomatisch arbeitende
Bohrmaschine gebildet werden.
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Selbstverständlich ist das Werkstück nicht auf ein laminiertes bedrucktes
Substrat bzw. eine gedruckte Schaltungsplatte beschränkt. In jedem Fall sollte jedoch
der Prüfling 6 aus dem gleichen Werkstoff bestehen wie das Werkstück, weil der Prüfling
zur Darstellung desselben Bearbeitungswiderstands wie beim Werkstück herangezogen
wird.