DE102017207737A1 - Apparatus and method for 3D printing a workpiece of a rubbery non-thermoplastic material - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung und Verfahren zum 3D-Druck eines Werkstücks aus einem kautschukartigen nicht-thermoplastischen Material, mit einem Extruder 1, der einen Komponentenzufuhranschluss 2 und eine Düse 3 aufweist, einem Aktuator 4, der mit dem Extruder 1 in Verbindung steht, und einer Steuereinheit 5 zum Steuern des Extruders 1 und des Aktuators 4 derart, dass mehrere Materialschichten 6, 7 zum Formen eines zu druckenden Werkstücks 8 aufgebracht werden.Apparatus and method for 3D printing a workpiece of a rubbery non-thermoplastic material, comprising an extruder 1 having a component supply port 2 and a nozzle 3, an actuator 4 communicating with the extruder 1, and a control unit 5 for Controlling the extruder 1 and the actuator 4 such that a plurality of material layers 6, 7 are applied for forming a workpiece 8 to be printed.
Description
Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum 3D-Druck eines Werkstücks aus einem kautschukartigen nicht-thermoplastischen Material, wobei ein hochgradig reproduzierbarer Druckvorgang und ein qualitativ hochwertiges gedrucktes Material erhalten werden kann.The present invention describes an apparatus and method for 3D printing a workpiece from a rubbery non-thermoplastic material, whereby a highly reproducible printing process and a high quality printed material can be obtained.
Aus der
Derartige Materialien haben jedoch den Nachteil, dass diese nicht temperaturbeständig sind und sich zudem die Materialeigenschaften mit sich verändernder Temperatur ebenfalls ändern. Dies trifft beispielsweise für die Viskosität zu, die sich überhalb des Schmelzpunkts deutlich verringert.However, such materials have the disadvantage that they are not temperature resistant and also change the material properties with changing temperature also. This is true, for example, for the viscosity, which decreases significantly above the melting point.
Infolgedessen kann bei dem Endprodukt nicht gewährleistet werden, dass die Materialeigenschaften über einen weiten Temperaturbereich bei sich ändernden Umgebungsbedingungen konstant bleiben.As a result, it can not be guaranteed that the material properties will remain constant over a wide temperature range with changing environmental conditions.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum 3D-Druck eines Werkstücks aus einem kautschukartigen nicht-thermoplastischen Material zu schaffen, die einen hochgradig produzierbaren Druckvorgang eines qualitativ hochwertigen gedruckten Materials realisieren. Insbesondere soll das gedruckte Material im Wesentlichen konstante Materialeigenschaften über einen vorgegebenen Temperaturbereich aufweisen.It is an object of the invention to provide an apparatus and a method for 3D printing a workpiece from a rubbery non-thermoplastic material which realize a highly producible printing operation of a high quality printed material. In particular, the printed material should have substantially constant material properties over a predetermined temperature range.
Die Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die abhängigen Patentansprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterentwicklungen der Erfindung.The object is solved according to the features of the independent claims. The dependent claims relate to advantageous embodiments and further developments of the invention.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum 3D-Druck eines Werkstücks aus einem kautschukartigen nicht-thermoplastischen Material kann einen Extruder, der einen Materialzufuhranschluss und eine Düse aufweist, enthalten. Weiterhin kann die Vorrichtung einen Aktuator enthalten, der mit dem Extruder in Verbindung steht. Darüber hinaus kann die Vorrichtung eine Steuereinheit zum Steuern des Extruders und des Aktuators derart enthalten, dass mehrere Materialschichten zum Formen eines zu druckenden Werkstücks aufgebracht werden können.The apparatus for 3D printing a workpiece of a rubbery non-thermoplastic material according to the present invention may include an extruder having a material supply port and a nozzle. Furthermore, the device may include an actuator that communicates with the extruder. In addition, the apparatus may include a control unit for controlling the extruder and the actuator such that multiple layers of material may be applied to form a workpiece to be printed.
Der Extruder kann mit verschiedenen Düsen betrieben werden, wobei beispielsweise auch ein automatischer Düsenwechsler vorgesehen sein kann, so dass abhängig von der Druckaufgabe automatisch unterschiedliche Düsen mit unterschiedlichen Formen und Öffnungsquerschnitten ausgewählt werden können.The extruder can be operated with different nozzles, wherein, for example, an automatic nozzle changer can be provided, so that depending on the print task different nozzles with different shapes and opening cross sections can be automatically selected.
Die zum Drucken verwendeten Komponenten können dem Extruder getrennt über Materialzufuhranschlüsse zugeführt werden, wobei diese dann im Extruder gemischt werden. Beim Mischen über beispielsweise eine Schnecke wird den Komponenten eine Scherenergie zugeführt, was zu einer Erwärmung der Komponenten führen kann, wobei dies dann den weiteren Vulkanisationsprozess fördern kann.The components used for printing can be fed to the extruder separately via material supply ports, which are then mixed in the extruder. When mixing with, for example, a screw, a shear energy is supplied to the components, which can lead to heating of the components, which then can promote the further vulcanization process.
Nach dem Aufbringen von Material auf eine schon aufgebrachte Materialschicht kommt es aufgrund der Materialeigenschaften und der Temperatur der schon aufgebrachten Materialschicht zu einer Selbstvulkanisation, wobei ein qualitativ hochwertiges gedrucktes Werkstück mit hochgradig reproduzierbaren Materialeigenschaften erhalten werden kann.After the application of material to an already applied material layer occurs due to the material properties and the temperature of the already applied material layer to a self-vulcanization, with a high-quality printed workpiece with highly reproducible material properties can be obtained.
An dem Extruder kann eine Strahlungsheizung vorgesehen sein, die mit dem Extruder bewegbar sein kann und über die Steuereinheit gesteuert werden kann. Dadurch kann die schon gedruckte Materialschicht angewärmt werden, um beim Aufbringen der neuen Materialschicht die Selbstvulkanisation zu fördern. Die Strahlungsheizung kann auch in einem anderen Bauteil als dem Extruder angeordnet sein, wobei jedoch sichergestellt werden sollte, dass eine möglichst langsame, sanfte, großflächige und tiefgehende Erwärmung der schon aufgebrachten Materialschicht unmittelbar vor dem Aufbringen der nächsten Materialschicht sichergestellt ist.A radiant heater may be provided on the extruder, which may be movable with the extruder and may be controlled via the control unit. As a result, the already printed material layer can be heated to promote self-vulcanization when applying the new material layer. The radiant heating can also be arranged in a different component than the extruder, but it should be ensured that the slowest possible, gentle, extensive and deep heating of the already applied material layer is ensured immediately before the application of the next layer of material.
Weiter kann der Extruder einen Innentemperatursensor zur Messung der Temperatur des kautschukartigen Materials aufweisen. Der Innentemperatursensor kann derart angeordnet sein, dass die Temperatur des zur Düse strömenden und/oder aus der Düse austretenden kautschukartigen Materials gemessen werden kann. Weiterhin kann ein Außentemperatursensor vorgesehen sein, der die Temperatur einer schon aufgebrachten und von der Strahlungsheizung erwärmten Materialschicht erfasst, und die Steuereinheit kann die Heizeinrichtung derart ansteuern, dass eine Solltemperatur Tsoll der schon aufgebrachten Materialschicht unmittelbar vor dem Aufbringen der nächsten Materialschicht erreicht wird. Weiterhin kann eine Heizeinrichtung in dem Extruder vorgesehen sein, um das austretende Material auf eine vorbestimmte Temperatur zu bringen.Further, the extruder may have an internal temperature sensor for measuring the temperature of the rubbery material. The internal temperature sensor may be arranged such that the temperature of the rubbery material flowing to and / or out of the nozzle can be measured. Furthermore, an outside temperature sensor can be provided which detects the temperature of a material layer already applied and heated by the radiant heater, and the control unit can control the heating device such that a setpoint temperature Tset of the already applied material layer is reached immediately before the application of the next material layer. Furthermore, a heater in the Extruder be provided to bring the exiting material to a predetermined temperature.
Durch beispielsweise die vorgenannten Maßnahmen kann das aus der Düse austretende Material in seinen Eigenschaften optimal auf die erforderliche Temperatur gebracht werden, um mit dem ebenfalls optimal vorgewärmten schon aufgebrachten Material nach dem Aufbringen eine Selbstvulkanisation derart einzugehen, dass ein qualitativ hochwertiges Werkstück erzielt werden kann. Die Vernetzung der unterschiedlichen Materialschichten erfolgt chemisch durch Vulkanisation. Bei einer derartigen Behandlung bzw. dem Abbau von Kautschuk erfolgt beispielsweise ein Aufspalten der langen Kautschukmoleküle, um die Härte des Kautschuks herabzusetzen bzw. diesen leichter verformbar zu machen. Daher ist es vorteilhaft, den Kautschuk beispielsweise durch die im Extruder vorhandene Schnecke mechanisch zu bearbeiten und durch entsprechende Abbaumittel chemisch zu behandeln.By, for example, the aforementioned measures, the material emerging from the nozzle in its properties can be optimally brought to the required temperature to enter with the also optimally preheated already applied material after applying a self-vulcanization such that a high-quality workpiece can be achieved. The crosslinking of the different material layers takes place chemically by vulcanization. In such a treatment or the degradation of rubber, for example, a splitting of the long rubber molecules takes place in order to reduce the hardness of the rubber or make it more easily deformable. It is therefore advantageous to machine the rubber mechanically, for example, by means of the screw present in the extruder and to treat it chemically by means of appropriate decomposition means.
Die Temperatur der beteiligten Komponenten liegt im Regelfall bei Raumtemperatur, wobei die Komponenten im Extruder durch die Scherenergie, beispielsweise durch die Schnecke, erwärmt werden (wie voranstehend schon erwähnt).The temperature of the components involved is usually at room temperature, wherein the components are heated in the extruder by the shear energy, for example by the screw (as mentioned above).
Die Materialeigenschaften der Komponenten sowie der Mischvorgang werden derart eingestellt, dass das aus der Düse austretende Material eine vorbestimmte Viskosität aufweist. Diese Viskosität kann zwischen 20 und 70 ME (ML1+4@100°C), bevorzugt zwischen 30 und 40 ME, liegen (ME = Mooneyeinheit).The material properties of the components and the mixing process are adjusted such that the material emerging from the nozzle has a predetermined viscosity. This viscosity may be between 20 and 70 ME (ML1 + 4 @ 100 ° C), preferably between 30 and 40 ME (ME = Mooney unit).
Das kautschukartige Material kann ein nicht-thermoplastisches Elastomer sein, das derart ausgebildet ist, dass sich dessen Viskosität in einem Temperaturbereich von 19°C (Raumtemperatur) bis 120°C im Wesentlichen nicht ändert. Dadurch kann ein gedrucktes Werkstück erhalten werden, welches qualitativ sehr hochwertig ist.The rubbery material may be a non-thermoplastic elastomer formed such that its viscosity substantially does not change in a temperature range of from 19 ° C (room temperature) to 120 ° C. This can be obtained a printed workpiece, which is very high quality.
Die Temperatur der schon aufgebrachten Materialschicht kann durch Strahlungsheizung unmittelbar vor dem Aufbringen der nächsten Materialschicht auf 30 bis 60°C, bevorzugt auf 40 bis 60°C, gebracht werden. Weiterhin kann das aus der Düse austretende Material eine Temperatur von 60 bis 80°C aufweisen.The temperature of the already applied material layer can be brought to 30 to 60 ° C, preferably to 40 to 60 ° C by radiation heating immediately before applying the next layer of material. Furthermore, the material emerging from the nozzle may have a temperature of 60 to 80 ° C.
Durch die vorgenannten Temperaturen kann der Beginn einer optimalen Selbstvulkanisation des Materials in einem ausreichend kurzen Zeitintervall von beispielsweise 2 bis 3 Minuten erzielt werden. Dadurch ist es möglich, relativ zügig die nächsten Materialschichten aufzubringen, ohne dass ein Fließen bzw. Wegströmen des neu aufgebrachten bzw. des schon aufgebrachten Materials zu befürchten ist. Es wird darauf geachtet, dass die Viskosität des Gemisches ebenfalls derart eingestellt ist, dass dieses beim Aushärten bzw. bei der Selbstvulkanisation nicht fließt bzw. wegströmt. Dadurch können auch filigrane Formen mit entsprechenden Überhängen gebildet werden.By the aforementioned temperatures, the beginning of an optimal self-vulcanization of the material in a sufficiently short time interval of, for example, 2 to 3 minutes can be achieved. As a result, it is possible to apply the next material layers relatively quickly without fear of flow or escape of the newly applied or already applied material. Care is taken to ensure that the viscosity of the mixture is also adjusted so that it does not flow or flow away during curing or during self-vulcanization. This also filigree shapes can be formed with appropriate overhangs.
Die erste Komponente kann Naturkautschuk mit 0-100 phr (parts per hundred rubber), Styrolbutadienkautschuk mit 0-100 phr, Butadienkautschuk mit 0-50 phr, Mastikationshilfsmittel mit 0-2 phr, Prozessadditiv mit 0-30 phr, aktiven Füllstoff mit 0-50 phr, inaktiven Füllstoff mit 0-50 phr, Weichmacher mit 0-20 phr, Verarbeitungshilfsmittel mit 0-2 phr, Alterungsschutzmittel mit 0-5 phr, Metalloxide mit 0-8 phr und/oder Vernetzungsreagenz mit 0,1-5 phr enthalten.The first component can be 0-100 phr (0-100 phr) natural rubber, 0-100 phr styrene butadiene rubber, 0-50 phr butadiene rubber, 0-2 phr masticating agent, 0-30 phr process additive, 0-40 phr active filler. 50 phr, 0-50 phr inactive filler, 0-20 phr plasticizer, 0-2 phr processing aid, 0-5 phr aging inhibitor, 0-8 phr metal oxides, and / or 0.1-5 phr crosslinking reagent ,
Bevorzugt kann die erste Komponente Naturkautschuk mit 50-100 phr enthalten. Bevorzugt kann die erste Komponente Styrolbutadienkautschuk mit 0-30 phr enthalten. Bevorzugt kann die erste Komponente Butadienkautschuk mit 0-30 phr enthalten. Bevorzugt kann die erste Komponente Prozessadditiv mit 5-30 phr enthalten. Bevorzugt kann die erste Komponente aktiven Füllstoff mit 0-20 phr enthalten.Preferably, the first component may contain natural rubber at 50-100 phr. Preferably, the first component may contain styrene butadiene rubber with 0-30 phr. Preferably, the first component may contain butadiene rubber with 0-30 phr. Preferably, the first component may contain process additive at 5-30 phr. Preferably, the first component may contain active filler with 0-20 phr.
Die zweite Komponente kann Naturkautschuk mit 0-100 phr, Styrolbutadienkautschuk mit 0-100 phr, Butadienkautschuk mit 0-50 phr, Mastikationshilfsmittel mit 0-2 phr, Prozessadditiv mit 0-30 phr, aktiven Füllstoff mit 0-50 phr, inaktiven Füllstoff mit 0-60 phr, Weichmacher mit 0-20 phr, Verarbeitungshilfsmittel mit 0-2 phr, Alterungsschutzmittel mit 0-5 phr, Metalloxide mit 0-8 phr und/oder Beschleuniger mit 0,1-5 phr enthalten.The second component can be natural rubber with 0-100 phr, styrene butadiene rubber with 0-100 phr, butadiene rubber with 0-50 phr, masticating agent with 0-2 phr, process additive with 0-30 phr, active filler with 0-50 phr, inactive filler with 0-60 phr, 0-20 phr plasticizer, 0-2 phr processing aid, 0-5 phr aging inhibitor, 0-8 phr metal oxides, and / or 0.1-5 phr accelerator.
Bevorzugt kann die zweite Komponente Naturkautschuk mit 50-100 phr enthalten. Bevorzugt kann die zweite Komponente Styrolbutadienkautschuk mit 0-30 phr enthalten. Bevorzugt kann die zweite Komponente Butadienkautschuk mit 0-30 phr enthalten. Bevorzugt kann die zweite Komponente Prozessadditiv mit 5-30 phr enthalten. aktiven Füllstoff mit 0-20 phr enthalten. Bevorzugt kann die zweite Komponente inaktiven Füllstoff mit 20-60 phr enthalten.Preferably, the second component may contain natural rubber at 50-100 phr. Preferably, the second component may contain styrene butadiene rubber with 0-30 phr. Preferably, the second component may contain butadiene rubber with 0-30 phr. Preferably, the second component may contain process additive at 5-30 phr. active filler containing 0-20 phr. Preferably, the second component may contain inactive filler at 20-60 phr.
Durch die vorgenannte Auswahl der Komponenten können die vorgenannten positiven Eigenschaften des Werkstücks erzielt werden. Insbesondere kann dadurch eine optimal auf das Werkstück angepasste Viskosität erzielt werden, es können optimierte Bearbeitungszeiten erreicht werden und die gewünschte in kurzer Zeit ablaufende und qualitativ hochwertige Selbstvulkanisation kann in optimaler Weise erreicht werden.By the aforementioned selection of components, the aforementioned positive properties of the workpiece can be achieved. In particular, this makes it possible to achieve an optimum viscosity adapted to the workpiece, optimized processing times can be achieved and the desired self-vulcanization, which proceeds in a short time and is of high quality, can be achieved in an optimum manner.
Mögliche und bevorzugte physikalische Eigenschaften des Werkstücks können beispielsweise eine Dichte in g/cm3 von 0,9 bis 1,4, eine Reißfestigkeit-S2-Stab in N/mm2 von 9 bis 24, eine Reißdehnung-S2-Stab in % von 200 bis 700, eine Härte in Shore A von 35 bis 85, ein Abrieb in mm3 von 50 bis 350 und/oder eine Rückprallelastizität in % von 20 bis 60 sein.Possible and preferred physical properties of the workpiece, for example, a density in g / cm 3 from 0.9 to 1.4, a Tear strength S2 rod in N / mm 2 from 9 to 24, an elongation at break S2 rod in% from 200 to 700, a hardness in Shore A of 35 to 85, an abrasion in mm 3 from 50 to 350 and / or a resilience in% of 20 to 60 be.
Die vorgenannten bevorzugten physikalischen Eigenschaften können durch die Ausgangskomponenten (die erste und die zweite Komponente), den entsprechenden Mischvorgang und/oder den Aufbringvorgang beim Drucken erreicht werden. Hierbei können auch insbesondere die jeweiligen Temperaturen, wie vorstehend erwähnt, von Bedeutung sein.The aforementioned preferred physical properties can be achieved by the starting components (the first and second components), the corresponding mixing operation and / or the printing application process. In this case, in particular, the respective temperatures, as mentioned above, may be of importance.
Die Steuereinheit kann derart eingerichtet sein, dass diese den Extruder derart ansteuert, dass das Material mit einem vorbestimmten Massenstrom von 1 bis 2 kg/h bei einer feinen Düse und von 10 bis 20 kg/h bei einer groben Düse austritt. Eine feine Düse kann dadurch spezifiziert werden, dass deren Querschnitt im Bereich von 1-5 mm liegt. Eine grobe Düse kann dadurch spezifiziert werden, dass deren Querschnitt im Bereich von 10-20 mm liegt.The control unit may be arranged to control the extruder such that the material exits at a predetermined mass flow of 1 to 2 kg / h for a fine nozzle and 10 to 20 kg / h for a coarse nozzle. A fine nozzle can be specified by having its cross section in the range of 1-5 mm. A coarse nozzle can be specified by having a cross section in the range of 10-20 mm.
Weiterhin kann ein Verfahren zum 3D-Druck eines Werkstücks aus einem kautschukartigen nicht-thermoplastischen Material unter Verwendung der vorgenannten Vorrichtung erfindungsgemäß realisiert werden.Furthermore, a method of 3D printing a workpiece from a rubbery non-thermoplastic material using the aforementioned apparatus can be realized in the present invention.
Wie vorstehend schon erwähnt, ist es möglich, das zum Drucken vorgesehene Material vor dem Drucken in zwei Komponenten zu trennen bzw. getrennt zu lagern. In der ersten Komponente ist beispielsweise Schwefel als Vernetzer vorgesehen, und in der zweiten Komponente ein Beschleuniger. Getrennt voneinander können beide Komponenten extrem lange gelagert werden. Sollte es jedoch erforderlich sein, alle Rezepturbestandteile (die erste und die zweite Komponente) in eine Mischung zu geben, dann wäre die Lagerfähigkeit beispielsweise ein bis zwei Tage.As already mentioned above, it is possible to separate the printing material into two components before printing, or to store them separately. In the first component, for example, sulfur is provided as crosslinker, and in the second component an accelerator. Separately, both components can be stored for an extremely long time. However, should it be necessary to mix all of the recipe ingredients (the first and second components), then shelf life would be one to two days, for example.
Da der Start der Vulkanisation der beiden Komponenten beginnt, sobald die Komponenten vermischt werden, ist es für die Qualität des Werkstücks von großer Bedeutung, dass die vorgenannten Randbedingungen erfüllt werden. Die Vulkanisation bzw. die chemische Reaktion der beiden Komponenten und auch der schon aufgebrachten Materialschichten und der neu aufgebrachten Materialschicht können beispielsweise bei Raumtemperatur oder nur bei einer etwas erhöhten Temperatur erfolgen. Wie vorstehend erwähnt, wird sich die Temperatur der Kontaktfläche zwischen dem schon aufgebrachten Material und dem gerade neu aufgebrachten Material bevorzugt in einem Bereich zwischen 30 bis 80°C einstellen. Dieser Temperaturbereich kann sich daraus ergeben, dass die Temperatur der schon aufgebrachten Materialschicht beispielsweise bei 30 bis 60°C, bevorzugt bei 40 bis 60°C, liegt bzw. gebracht wird, und die Temperatur des aus der Düse austretenden Materials ein Tsoll von beispielsweise 60 bis 80°C aufweist.Since the start of the vulcanization of the two components begins as soon as the components are mixed, it is of great importance for the quality of the workpiece that the aforementioned boundary conditions are met. The vulcanization or the chemical reaction of the two components and also the already applied material layers and the newly applied material layer can be done for example at room temperature or only at a slightly elevated temperature. As mentioned above, the temperature of the contact surface between the already applied material and the newly newly applied material will preferably be in a range between 30 to 80 ° C. This temperature range can result from the fact that the temperature of the already applied material layer, for example, at 30 to 60 ° C, preferably at 40 to 60 ° C, is or is brought, and the temperature of the material emerging from the nozzle a Tsoll of example 60th to 80 ° C has.
Die eingesetzten Komponenten bzw. Komponentenbestandteile werden in optimaler Weise derart ausgewählt und eingestellt, dass bei den vorgenannten Temperaturen eine optimierte Selbstvulkanisation stattfinden kann.The components or component components used are optimally selected and adjusted such that an optimized self-vulcanization can take place at the abovementioned temperatures.
Es ist insbesondere nicht notwendig, mit stark erhöhten Temperaturen zu arbeiten, nämlich wie üblich mit Temperaturen von über 100°C.In particular, it is not necessary to work with greatly elevated temperatures, namely, as usual, with temperatures above 100 ° C.
Figurfigure
Die Figur zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen Darstellung.The figure shows an example of a device according to the invention in a schematic representation.
Ein Extruder
Zur Erfassung einer Temperatur innerhalb des Extruders kann ein Innentemperatursensor
Weiterhin kann eine Heizeinrichtung
In Verbindung mit dem Extruder
Zur Überprüfung der Vorwärmtemperatur der schon aufgebrachten Materialschicht
Die Steuereinheit
Die Steuereinheit
Zusammenfassend kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, dem erfindungsgemäßen Verfahren und den speziellen Kautschukmischungen ein 3D-Druck durchgeführt werden, der besonders vorteilhaft eine Niedertemperaturselbstvulkanisation der aufgebrachten Materialschichten erlaubt. Weiterhin kann durch den Einsatz eines nicht-thermoplastischen kautschukartigen Materials eine sehr hohe Werkstückqualität erzielt werden, dessen Materialeigenschaften über einen weiten Temperaturbereich konstant bleiben.In summary, with the device according to the invention, the method according to the invention and the special rubber mixtures, a 3D printing can be carried out which particularly advantageously permits low-temperature self-vulcanization of the applied material layers. Furthermore, by using a non-thermoplastic rubber-like material, a very high workpiece quality can be achieved, the material properties of which remain constant over a wide temperature range.
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