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Die Erfindung betrifft eine Verwendung eines Werkstückträger zum Aufnehmen von zu beschichtenden Werkstücken zum Beschichten der Werkstücke in einer Vakuumbeschichtungsanlage und ein Verfahren zum Beschichten eines Werkstücks in einer Vakuumbeschichtungsanlage.
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Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen zum Beschichten von Werkstücken bekannt. Es sind auch unterschiedliche Vakuumbeschichtungsverfahren bekannt. So offenbart etwa die nachveröffentlichte deutsche Patentanmeldung
DE 10 2006 024 433 A1 das Beschichten von Steuerketten in einer Vakuumbeschichtungsanlage. Bekannt sind dabei Beschichtungen zum Erreichen einer diamantartigen amorphen Kohlenstoffschicht in einem DLC-Verfahren und z.B. das Beschichten mittels CVD- und PVD-Verfahren.
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Die
DE 16 52 334 C befasst sich mit einer Vorrichtung zur Erstellung von Überzügen auf Mantelflächen von metallischen Werkstücken, zum Beispiel Kolben. Die Vorrichtung weist drei in Abschnitte unterteilte Walzen auf, die teilweise in einen Behälter ragen. Der Behälter ist durch vier Zwischenwände in fünf Kammern unterteilt. In der ersten Kammer erfolgt eine Entfettung, in der zweiten wird gereinigt und in der dritten erfolgt der Überzug des Werkstoffes mit einer zinnhaltigen Badflüssigkeit. In der vierten Kammer erfolgt ein Abtropfen und in der fünften Kammer werden die Werkstücke mit kaltem Wasser gereinigt. Die Abschnitte der Walzen sind den entsprechenden Kammern zugeordnet. Quer zu den Walzen ist eine Beschickungsvorrichtung angeordnet, die eine Führung und ein Blech aufweist. Das axiale Vorschieben erfolgt mittels eines Druckluftzylinders und zwei Stangen. Durch eine gesteuerte Drehung der Walzen erfolgt auch eine Drehung der zwischen zwei Walzen angeordneten Werkstücke.
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Die
US 1 622 174 A befasst sich mit der Lackbeschichtung einer Dose. Die zugehörige Vorrichtung umfasst eine Lackwanne, in der sich eine erste Zuführrolle dreht und den Lack aus dem Lackbad aufnimmt. Diese Walze steht mit zwei Gummiwalzen in Berührung, die den Lack aufnehmen und zwischen denen die Dose angeordnet ist. Da sich sämtliche Walzen drehen, dreht sich auch die Dose und es erfolgt ein gleichmäßiger Lackauftrag.
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Die
DE 10 2005 003 047 A1 befasst sich mit einer Vorrichtung zum Beschichten von Werkstücken mittels Kathodenzerstäubung. Hierzu werden die Werkstücke aufrecht in einer Art Karussellhalterung aufgenommen und zumindest über einen Abschnitt in Rotation um vertikale Drehachsen versetzt. Die Karussellvorrichtung weist einen Zylinder und mehrere am Zylinder im Abstand zueinander angeordnete Ringscheiben mit Metallstiften auf. Auf den Metallstiften sind Hülsen aufgesteckt, die teilweise mit Werkstücken bestückt sind. Für eine Drehbewegung der Werkstücke um die eigene Achse ist eine Spiralfeder vorhanden, die die Hülsen zusammen mit den darin angeordneten Werkstücken bei Rotation des Karussells in Drehbewegung versetzt.
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Die
WO 2003/ 100 128 A1 befasst sich mit einer Vakuumbeschichtungsvorrichtung, insbesondere zum Beschichten von Kunststoffbehältern wie Kunststoffflaschen. Die Kunststoffbehälter werden so ausgerichtet, dass die Drehachsen der Beschichtungsplätze der Beschichtungsstationen parallel zur vertikalen Drehachse des Transportkarussells ausgerichtet sind. Während der eigentlichen Beschichtung ist eine Eigenrotation der Kunststoffbehälter nicht vorgesehen.
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Bestimmte Werkstücke bedürfen einer besonders gleichmäßigen Beschichtung, um die Verschleißfestigkeit zu erhöhen und die Gleiteigenschaften des Werkstücks zu verbessern. Vakuumbeschichtungen haben sich hier als besonders vorteilhaft herausgestellt. Allerdings müssen die Werkstücke während der Beschichtung bewegt werden, um eine gleichmäßige Beschichtung zu ermöglichen. Die bisherigen Verfahren und Werkstückträger haben Nachteile, diese gleichmäßige Beschichtung zu erreichen.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine möglichst gleichmäßige Beschichtung von Werkstücken durch das Verwenden eines speziellen Werkstückträgers und das Anwenden eines speziellen Verfahrens zu Erreichen. Dabei sollen die Kosten der Beschichtung minimiert werden und die bei der Beschichtung benötigte Vorrichtung bezüglich des Kostenaspektes ebenso optimiert werden. Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe wird durch den in Anspruch 1 definierte Verwendung eines Werkstückträgers erreicht und durch das in Anspruch 4 definierte Verfahren erreicht.
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Für eine solche Verwendung weist der Werkstückträger einen Rahmen auf, der mehrere palettenförmig nebeneinander angeordnete Antriebsrollen aufweist, die parallel zueinander ausgerichtet sind.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren weist dabei folgende Schritte auf: Positionieren eines Werkstücks auf einem Werkstückträger; Herstellen eines Reibkontaktes zwischen dem Werkstück und zumindest einer Antriebsrolle; Rotieren der Antriebsrolle und des Werkstücks; Vakuumbeschichten des Werkstücks; und Entnehmen des Werkstücks.
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Eine solche Verwendung eines Werkstückträgers und ein solches Verfahren haben den Vorteil, dass die zu beschichtenden Werkstücke, die vorzugsweise als Kettenbolzen ausgeformt sind, einfach auf die Antriebsrollen legbar sind, und durch ein Rotieren der Antriebsrollen eine Rotation der Werkstücke erfolgt, weswegen eine gleichmäßige Beschichtung in der Vakuumbeschichtungsanlage erfolgt.
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Vorteilhafte Ausführungsformen werden in den Unteransprüchen näher beschrieben und beansprucht.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn in einer speziellen Ausführungsform die Werkstücke parallel zu den Antriebsrollen ausgerichtet sind. Dadurch können die Werkstücke jeweils in die Vertiefung, die zwischen zwei benachbarten Antriebsrollen vorhanden ist, eingelegt werden. Die Werkstücke sind dann in einem stabilen Gleichgewichtszustand gelagert und können nur bei einer großen Schieflage des Werkstückträgers aus ihrer Auflageposition schwerkraftbedingt fallen. Ein besonders sicherer Transport des mit Werkstücken beladenen Werkstückträgers von einer Ladestelle zur Vakuumbeschichtungsanlage ist dabei möglich. Es werden bei dem Transport keine oder nur sehr wenig Werkstücke verloren, die dann nicht beschichtet werden können. Ein Schwund an zu beschichtendem Material wird dadurch minimiert.
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Wenn die Werkstücke in Reibkontakt mit jeweils zwei Antriebsrollen stehen, so ist in dieser vorteilhaften Ausführungsform sichergestellt, dass, sobald die Antriebsrollen rotieren, auch die zu beschichtenden Werkstücke rotieren. Die Antriebsrollen haben dabei untereinander dieselbe Rotationsrichtung. Auch die Werkstücke haben untereinander dieselbe Rotationsrichtung. Die Rotationsrichtung der Werkstücke und der Antriebsrollen sind jedoch zueinander gegenläufig.
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Um Bremswirkungen zu vermindern, ist es in einer weiteren Ausführungsform besonders vorteilhaft, wenn die Antriebsrolle rotierbar in dem Werkstückträger positioniert ist.
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Ein besonders vorteilhaftes Verfahren ist in einer weiteren Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück auf zwei Antriebsrollen gelegt wird. Ein besonders ruckelfreies Rotieren kann dadurch erreicht werden. Das Werkstück steht nicht nur an einer Stelle mit einer Antriebsrolle in dieser vorteilhaften Ausführungsform in Reibkontakt, sondern sogar an zwei Stellen, wodurch die Wahrscheinlichkeit des Durchrutschens beim Weitergeben der Rotation der Antriebsrollen an das Werkstück minimiert wird. Eine besonders gleichförmige und kontinuierliche Rotation des Werkstücks wird erreicht. Dies resultiert in einer besonders gleichmäßigen Beschichtung der Oberfläche des Werkstück mit Partikeln, vorzugsweise mit Nanopartikeln, wie Nanokris fallen.
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Wenn der Werkstückträger mit mehreren Werkstücken bestückt wird und die Werkstücke in durch je zwei nebeneinander angeordnete Antriebsrollen gebildete Vertiefungen zwischen den Antriebsrollen gelegt werden, so ist ein größerer Durchsatz an Werkstücken durch die Vakuumbeschichtungsanlage erreichbar und eine besonders gleichmäßige Beschichtung möglichst vieler Werkstücke erreichbar.
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Um Überhitzungen sowohl des Werkstücks, als aber auch besonders der Antriebsrolle zu vermeiden, hat es sich in einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die Antriebsrolle auf der werkstückabgewandten Seite gekühlt wird.
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Besonders effizient lässt sich dies dann erreichen, wenn die Antriebsrolle in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform mit einer wassergekühlten Bodenplatte in Wärmeaustausch steht.
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Eine besonders vorteilhafte Abfolge an Beschichtungs- und Kühlschritten stellt sich dann ein, wenn die Antriebsrolle zwischen zwei separaten Beschichtungsschritten gekühlt wird.
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Wenn dieselben Werkstücke vor und nach dem Kühlschritt beschichtet werden, so ist ein besonders gleichmäßiger Beschichtungsaufbau die Folge und eine Überhitzung der Anlage wird vermieden.
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Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn der Werkstückträger mit den Antriebsrollen versehen ist, mit den Werkstücken beladen wird, auf eine mit Vortriebsrollen versehene Vortriebeinrichtung gelegt wird und von den Vortriebsrollen durch einen Vakuumbeschichtungsraum bewegt wird. In dieser vorteilhaften Ausführungsform ist immer ein Werkstückträger mit Werkstücken beladbar, während parallel bereits ein weiterer Werkstückträger durch den Vakuumbeschichtungsraum bewegt wird. Die Vortriebsrollen stellen dabei sicher, dass sie durch Bewegen des Rahmens des Werkstückträgers, diesen zusammen mit den dann angetriebenen Antriebsrollen durch den Vakuumbeschichtungsraum bewegen und die in Rotation versetzten Werkstücke gleichmäßig beschichtet werden. Der Durchsatz an Werkstücken durch eine Vakuumbeschichtungsanlage lässt sich dabei erheblich erhöhen.
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Das Verfahren ist dann besonders einfach zu realisieren, wenn die Antriebsrollen im Vakuumbeschichtungsraum um ihre Längsachse rotiert werden und dadurch die Werkstücke in Eigenrotation versetzt werden.
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Wenn die Antriebsrollen in Paletten bestehend aus mehreren Antriebsrollen kombiniert werden und die Paletten zu einem Werkstückträger kombiniert werden, so ist in dieser vorteilhaften Ausführungsform eine besonders große Menge an Werkstücke in den Vakuumbeschichtungsraum einbringbar.
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Um den Bedarf an besonders langlebigen und reibungsarmen Kettenbolzen zu erreiche, ist es von Vorteil, wenn die Werkstücke einen runden Querschnitt aufweisen und vorzugsweise als vollzylindrische Kettenbolzen ausgeformt sind.
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Eine dichtere Packungsmenge lässt sich dann vorteilhafterweise erreichen, wenn sich die Kettenbolzen in einer weiteren Ausführungsform an den Stirnseiten berühren.
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Wenn die Kettenbolzen an den zylindrischen Mantelflächen zueinander beabstandet sind, so ist ein gegenseitiges Hemmen der Kettenbolzen besonders effizient vermieden. Dadurch wird eine ruckweise Bewegung oder gar ein Ausbleiben einer Rotation der Werkstücke beim Antrieb durch die Antriebsrollen verhindert.
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Es zeigt sich als geometrisch besonders vorteilhaft, wenn die Vortriebsrollen einen Durchmesser aufweisen, der im Wesentlichen genauso groß bis ungefähr zehn Mal so groß ist, wie der Durchmesser der Antriebsrollen. Wenn der Durchmesser der Vortriebsrollen sieben Mal so groß ist wie der Durchmesser der Antriebsrollen, so stellen sich besonders gute Wärmeübergangsbedingungen ein.
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Um den Werkstückträger überhaupt in Bewegung zu bringen, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Vortriebsrollen mit einem Rahmen des Werkstückträgers in Kontakt stehen.
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Auf herkömmliche Verfahren lässt sich dann zurückgreifen, wenn in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform die Kettenbolzen zwischen den Antriebsrollen und einer Kathode in dem Beschichtungsraum bewegt werden, und dort in Rotation versetzt werden.
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Zur weiteren Erläuterung wird auf die beiliegenden Figuren verwiesen, die nachfolgend näher beschrieben werden. Es zeigen:
- 1 einen erfindungsgemäßen Werkstückträger mit einem Rahmen, der mehrere palettenförmig zusammengefasst angeordnete Antriebsrollen rotierbar lagert, wobei auf den Antriebsrollen jeweils eine Vielzahl an Werkstücken aufgelegt ist und der Werkstückträger auf einer Vortriebeinrichtung mit Vortriebsrollen aufliegt, welche den Werkstückträger durch einen Vakuumbeschichtungsraum hindurch bewegen,
- 2 eine Detaildarstellung der Antriebsrol len mit darauf abgelegten Werkstücken in einem Werkstückträger, wobei nur ein Teil der palettenförmigen Anordnung aus 1 gezeigt ist,
- 3 eine schematische Darstellung des Verfahrens mit besonderer Darstellung der Beschichtungs-Kühlungs-Beschichtungsschritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In allen Figuren sind dieselben Bezugszeichen für die selben Elemente verwendet.
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1 zeigt einen Werkstückträger 1. Der Werkstückträger 1 weist eine Vielzahl an Antriebsrollen 2 auf. Die Antriebsrollen 2 sind in einem Rahmen 3 des Werkstückträgers 1 rotierbar gelagert. Auf den Antriebsrollen 2 ist eine Vielzahl an Werkstücken 4 im abgelegten Zustand dargestellt. Die Werkstücke 4 stehen in Reibkontakt mit jeweils zueinander benachbarten Antriebsrollen 2. Die Antriebsrollen 2 sind mit ihren Längsachsen parallel zueinander ausgerichtet. Auch die Werkstücke 4 sind mit ihren Längsachsen parallel zu den Längsachsen der Antriebsrollen 2 ausgerichtet. Die Werkstücke 4 haben einen runden Querschnitt und sind vollzylindrisch als Kettenbolzen ausgestaltet.
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Solche Kettenbolzen finden Verwendung in Steuerketten. Die Kettenbolzen halten dabei die einzelnen Glieder einer Steuerkette zusammen. Die Steuerkette wird in Verbrennungsmotoren zum Steuern der Zündzeitpunkte verwendet. Auch werden die Ventile über die Steuerkette indirekt bewegt. Die Steuerkette verbindet dabei die Nockenwelle mit der Kurbelwelle des Motors. Solche Steuerketten müssen hohe Belastungen aushalten, weswegen die Kettenbolzen besonders langlebig und gleitarm ausgestaltet sein müssen.
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Eine Vielzahl an Antriebsrollen 2 wird dabei immer zu einer Palette 5 zusammengefasst. Mehrere Paletten 5 bilden dann zusammen mit dem Rahmen 3 und zusätzlichen Verbindungs- und Lagerelementen den Werkstückträger 1.
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Der Werkstückträger 1 liegt auf einer Vortriebeinrichtung 6. Die Vortriebeinrichtung 6 weist eine Vielzahl von rotatorisch angetriebenen Vortriebsrollen 7 auf. Die Vortriebsrollen 7 sind zueinander parallel ausgerichtet. Ihre Längsachsen sind auch parallel zu den Längsachsen der Antriebsrollen 2. Es gibt unterschiedliche Arten, den Werkstückträger 1 mittels der Vortriebsrollen 7 zu bewegen. So ist es möglich, dass die Antriebsrollen 2 direkt mit den Vortriebsrollen 7 in Kontakt stehen. Auch ist es möglich, eine Platte zwischen den Antriebsrollen 2 und den Vortriebsrollen 7 zu positionieren. Diese Platte ist dann wasserkühlbar. Auch andere Kühlverfahren zum Reduzieren der Temperatur der Antriebsrollen 2 und der Werkstücke 4 ist möglich. Es ist auch möglich, ein Förderband zwischen den Vortriebsrollen 7 und der Antriebsrolle 2 zu positionieren. Die Platte kann als nachfolgend beschriebene Bodenplatte 13 ausgebildet sein.
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Wesentlich ist jedoch, dass die Antriebsrollen 2 des Werkstückträgers 1 in dem Vakuumbeschichtungsraum in Rotation versetzt sind. Dadurch werden auch die Werkstücke 4, die mit ihren äußeren Zylindermantelflächen in Reibkontakt mit den Antriebsrollen 2 stehen, in Rotation versetzt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel rotieren die Antriebsrollen 2 im Uhrzeigersinn und die Werkstücke 4 im Gegenuhrzeigersinn um ihre Längsachsen.
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Die Vortriebsrollen 7 sorgen dafür, dass der Werkstückträger 1 durch den Vakuumbeschichtungsraum hindurch bewegt wird.
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Die Vortriebsrollen 7 weisen an ihrem linken Ende Zahnräder 8 auf. Die die Rotation der Vortriebsrollen 7 bewirkende Kraft wird über die Zahnräder 8 eingeleitet.
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In 2 ist eine Vielzahl von Werkstücken 4 auf den Werkstückträger 1 aufgelegt. Die Werkstücke 4 liegen dabei parallel zu den Antriebsrollen 2 auf den Antriebsrollen 2 auf. Die Werkstücke 4 stehen dabei mit ihren zylindrischen Mantelflächen in Reibkontakt mit den zylindrischen Mantelflächen der Antriebsrollen 2. Bei Rotation der Antriebsrollen 2 rotieren auch die Werkstücke 4, wenn auch gegensinnig. Zwischen den Antriebsrollen 2 untereinander und den Werkstücken 4 untereinander ist jeweils ein kleiner Abstand. Dabei ist es möglich, dass auch zwischen den Stirnflächen der Werkstücke 4 ein Abstand vorliegt. Dieser ist jedoch nicht zwangsbedingt, da auch ein Anliegen der Stirnseiten zweier Werkstücke die Funktionalität der beschichteten Werkstücke 4 nicht beeinträchtigt. Dies ist besonders bei Kettenbolzen für Steuerketten der Fall.
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3 zeigt, wie die Werkstücke 4 in dem Werkstückträger 1 von einem Beschichtungsschritt 9 zu einem Kühlschritt 10 und dann wiederum zu einem Beschichtungsschritt 11 transportiert werden. Die Werkstücke 4 sind dabei zwischen einer Kathode 12 während des Beschichtungsschrittes 9 und einer Schicht aus Antriebsrollen 2 befindlich. Die Antriebsrollen 2 weisen in etwa den selben Durchmesser wie die Werkstücke 4 auf. Die Antriebsrollen 2 stehen in Wärme übertragendem Kontakt mit der wassergekühlten Bodenplatte 13.
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Das Beschichten von Werkstücken 4 gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend beschrieben.
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Die Werkstücke 4 werden auf die durch die nebeneinander angeordneten Antriebsrollen 2 ge schaffenen Vertiefungen eines Werkstückträgers 1 gelegt. Der Werkstückträger 1 wird auf die Vortriebeinrichtung 6 gelegt und durch die Vortriebsrollen 7 der Vortriebeinrichtung 6 durch den Beschichtungsraum der Vakuumbeschichtungsanlage hindurch bewegt.
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In dem Vakuumbeschichtungsraum werden auch die Antriebsrollen 2 in Rotation versetzt. Dadurch rotieren auch die Werkstücke 4.
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Im Inneren des Beschichtungsraums werden Kühlschritte zwischen die Beschichtungsschritte eingeschaltet. Nach einer Abfolge Beschichtens und Kühlens wird der Werkstückträger durch die Vortriebeinrichtung 6 aus dem Beschichtungsraum herausgefahren.
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Es werden dann die Werkstücke 4 vom Werkstückträger 1 entfernt. Der eben beschriebene Prozess verläuft als kontinuierliches Verfahren. Durch kombinatorisches Erweitern des Verfahrens lässt sich der Durchsatz weiter erhöhen.
