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Die Erfindung betrifft ein Vorrichtung und ein Verfahren zur Zuführung und Dosierung von feinem Pulver.
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Bekannt ist eine Vorrichtung zur Zuführung von feinem Pulver für Plasma-, Pulverflamm- und Hochgeschwindigkeitsflammstpritzen(HVOF)-Beschichtungsanlagen, wobei die Vorrichtung das Pulver mit hoher Präzision volumetrisch mit einer Förderscheibe in einen Trägergasstrom dosiert. Ein oder mehrere von den Förderscheiben sind bei dieser bekannten Vorrichtung in einem Pulverbehälter integriert. Die Vorrichtung weist außerdem ein Waagemodul auf, sodass der Pulverförderer mit hoher Präzision gravimetrisch dosieren kann. Zur Überwindung der schlechten Fließeigenschaften von feinsten Pulvern werden die Pulverbehälter mit Vibrationseinheiten ausgerüstet.
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Jedoch weist die Vorrichtung den Nachteil auf, dass sie einen komplexen Aufbau besitzt und daher auch relativ fehleranfällig und teuer ist.
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Der Anmelderin ist weiter eine Vorrichtung zur Pulverzuführung und -dosierung bekannt, die einen Vorratsbehälter für das Pulver und einen sich daran anschließenden linearen Schwingförderer aufweist. Der lineare Schwingförderer arbeitet mit einer elektromagnetischen Schwingungsanregung (Magnetantrieb). Derartige Schwingförderer bezeichnet man auch als Magnetschwingförderer. Die Schwingungsfrequenz liegt bei einem Magnetschwingförderer üblicherweise bei etwa 50 bis 60 Hz. Bei dem der Anmelderin bekannten Magnetschwingförderer liegt die Schwingweite in einem Bereich von 0,5 mm bis 2 mm. Als Schwingweite bezeichnet man bei einem Schwingförderer die Strecke, um die sich die Förderfläche bei der Schwingung bewegt, also die Distanz zwischen den beiden Umkehrpunkten der Schwingungsbewegung.
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Diese der Anmelderin bekannte Vorrichtung zur Pulverzuführung und -dosierung mit einem Magnetschwingförderer arbeit gut und zuverlässig für Pulver mit relativ großen Pulverteilchen. Bei der Zuführung von feinen und feinsten Pulvern mit Pulverteilchendurchmessern im Mikrometerbereich und im Submikrometerbereich bilden die Pulverteilchen jedoch Agglomerate (Klumpenbildung). Zudem ist die Homogenisierung der Dicke der mit dem Magnetschwingförderer geförderten Pulverschicht relativ ineffizient. Dadurch ist auch die Förderrate des mit der bekannten Vorrichtung zugeführten Pulvers zeitlich ungleichmäßig. Zusätzlich treten bei einem Magnetschwingförderer aufgrund der Erwärmung des Spulendrahtes mit der Zeit Veränderungen der Erregungskraft auf, die ebenfalls zu Schwankungen der Förderrate beitragen. Die Schwankungen der Förderrate mit der der Anmeldering bekannten Vorrichtung liegen für feine Pulver in einem Bereich von ±5%.
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Im Stand der Technik wird versucht, bei der Förderung von feinen Pulvern bei der zuvor beschriebenen Vorrichtung mit Magnetschwingförderer die Agglomeratbildung dadurch zu verhindern und die Homogenisierung der Schichtdicke des geförderten Pulvers über die Förderstrecke zu verbessern, indem das Pulver auf einer großflächigen Fördereinrichtung (Förderrinne) des Schwingförderers fein verteilt wird und die Dicke der Pulverschicht auf der Fördereinrichtung durch eine verlängerte Wegstrecke der Fördereinrichtung weiter homogenisiert wird. Die Verwendung einer großflächigen und verlängerten Fördereinrichtung hat jedoch den Nachteil, dass der Platzbedarf für die Vorrichtung relativ groß ist.
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Zur Förderung von Kleinstteilchen, z. B. kleinen elektronischen Bauelementen ist die Verwendung von Schwingförderern mit Piezoschwinger (Piezoschwingförderer) bekannt. Der Piezoschwingförderer zeichnet sich dadurch aus, dass er im Vergleich zu einem Magnetschwingförderer mit einer höheren Schwingungsfrequenz und einer geringeren Schwingweite betrieben wird. Bei der Förderung von kleinen elektronischen Bauelementen bietet die Verwendung von Piezoschwingförderern den Vorteil, dass die Teilchen aufgrund der geringeren Schwingweite und der damit einhergehenden geringeren Wurfhöhe beim Fördervorgang nicht übereinander geworfen werden und sich nicht verkeilen. Der große Nachteil von Piezoschwingförderern gegenüber anderen Schwingförderern sind jedoch die wesentlich höheren Anschaffungskosten, weshalb Piezoschwingförderer nur für spezielle Anwendungen eingesetzt werden und bisher nicht für die Förderung von Pulvern in Betracht gezogen wurden.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Förderung und Dosierung von feinen und feinsten Pulvern bereitzustellen, mit denen auf einfache Art und Weise Schwankungen der Förderrate für das Pulver minimiert werden können und eine Agglomeratbildung (Verklumpung) des Pulvers vermieden werden kann. Es ist weiter Aufgabe der Erfindung eine Zuführvorrichtung mit kompakter Bauweise bereitzustellen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Zuführung und Dosierung von Pulver nach Patentanspruch 1 oder durch ein Verfahren zur Zuführung und Dosierung eines Pulvers nach Anspruch 8.
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Durch die im Vergleich zum Stand der Technik geringere Schwingweite und höhere Schwingungsfrequenz wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren mit dieser Vorrichtung die Agglomeratbildung bei der Förderung und Dosierung von feinen Pulvern auf effiziente Weise verhindert und die Genauigkeit der Dosierung auf einfache Art und Weise erhöht, ohne dass es der Verwendung einer großflächigen Fördereinrichtung bedarf.
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Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Schwingförderer ein Piezoschwingförderer.
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Die Verwendung eines piezoelektrisch angetriebenen Schwingförderers (Piezoschwingförderer) hat den Vorteil, dass die Schwingungsfrequenz auf einfache Art und Weise in einem weiten Bereich einstellbar ist. Mit den im Stand der Technik bekannten Magnetschwingförderern sind insbesondere Schwingungsfrequenzen unterhalb von 50 Hz und oberhalb von etwa 120 Hz nicht einstellbar. Im Gegensatz zu dem Magnetschwingförderer, der im Stand der Technik zur Förderung des Pulvers eingesetzt wird, ist zur Einstellung der Schwingungsfrequenz keine mechanische Einstellung einer Eigenfrequenz erforderlich. Darüber hinaus ist bei einem piezoelektrisch angetriebenen Schwingförderer die Schwingungsfrequenz unabhängig von der Schwingweite einstellbar, sodass die Fördergeschwindigkeit und damit die Förderrate über die Schwingungsfrequenz einstellbar ist, während die Schwingweite zur Vermeidung von Agglomeratbildung gering gehalten werden kann.
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Bevorzugt ist der Schwingförderer dafür eingerichtet ist, die Schwingungsbewegung zur Förderung des Pulvers mit einer Schwingungsfrequenz in einem Bereich von mehr als 150 Hz, bevorzugt in einem Bereich von mehr als 200 Hz auszuführen.
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Um mit der gegenüber dem Stand der Technik geringeren Schwingweite die gleiche Fördergeschwindigkeit des Pulvers auf der Fördereinrichtung zu erzielen kann die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer höheren Schwingungsfrequenz arbeiten.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die die Fördereinrichtung als eine lineare Rinne ausgebildet.
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Die Ausbildung der Fördereinrichtung als eine lineare Rinne erlaubt eine einfache und kompakte Bauweise der Zuführeinrichtung.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Fördereinrichtung eine horizontal ausgerichtete Förderfläche auf, wobei im Betrieb der Vorrichtung die Richtung der Gravitation maximal ±5% von der Orthogonalen auf die Förderfläche abweicht.
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Bei einer horizontalen Ausrichtung der Förderfläche (d. h. bei einer Ausrichtung der Förderfläche senkrecht zur Gravitationskraft) ist die Förderrate im Wesentlichen von der Oberflächenrauheit und -strukturierung der Förderfläche sowie von der Morphologie der damit geförderten Pulverteilchen (kuglige, sphärische, spratzige Pulverteilchenform oder sog. Flakes) unabhängig. Während das Pulver bei einer Schrägstellung der Förderfläche je nach Oberflächenrauheit und -strukturierung der Förderfläche sowie in Abhängigkeit von der Morphologie des Fördergutes auf der Förderfläche rutscht, gibt es bei horizontaler Ausrichtung der Förderfläche im Wesentlichen kein Rutschen oder Gleiten des Pulvers entlang der Förderfläche. Die Schwingung in einer Richtung senkrecht und parallel zur Förderfläche ergibt bei einer waagrechten Ausrichtung der Förderfläche eine „Zwangsführung”, die im Wesentlichen unabhängig von der Oberflächenrauheit ist. Daher kann bei horizontaler Ausrichtung der Förderfläche mit ein und derselben Fördereinrichtung Pulver mit unterschiedlicher Morphologie der Pulverteilchen in der geforderten Präzision gefördert werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist weiter ein Gehäuse vorgesehen, das den Schwingförderer gasdicht abdichtet, wobei in dem Gehäuse mindestens ein Gaseinlass zur Zuführung eines Trägergases sowie ein Pulverauslass zum Auslassen des mit dem Pulver vermischten Trägergases vorgesehen ist.
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Mit dieser Ausgestaltung kann ein homogenes Pulver-Gas-Gemisch auf einfache Art und Weise erzeugt werden. Gleichzeitig kann durch den Gasabschluss verhindert werden, dass das Pulver mit anderen Gasen als mit dem Trägergas in Kontakt kommt. Darüber hinaus kann es für den der Zuführung und Dosierung nachfolgenden Prozess vorteilhaft sein, Massenfluss und Art des Trägergases genau zu steuern.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Amplitude der Schwingungsbewegung in einer Richtung senkrecht zur Förderrichtung (wobei die Förderrichtung parallel zur Förderoberfläche ist) kleiner als 20 μm.
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Diese geringe Amplitude der Schwingungsbewegung kann zusätzlich zu den Merkmalen des Hauptanspruchs zu einer weiteren Verringerung von Agglomeratbildung und zu einer Verbesserung der Homogenisierung der geförderten Pulverschicht auf der Förderfläche des Schwingförderers beitragen.
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Im Folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung beispielhaft anhand der beigefügten Figuren erläutert. In den Figuren zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung zur Zuführung von Pulver gemäß der Ausführungsform der Erfindung; und
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2 eine Teilschnittansicht der Vorrichtung zur Zuführung von Pulver gemäß der Ausführungsform der Erfindung.
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Bezug nehmend auf 1 und 2 weist die Vorrichtung zur Zuführung von Pulver gemäß der Ausführungsform der Erfindung einen Pulvervorratsbehälter 1, einen Schwingförderer 2 mit einer als Förderrinne 3 ausgebildeten Fördereinrichtung sowie ein Gehäuse 4 mit einem Gaseinlass 5 und einem Pulverauslass 6 auf.
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Der Pulvervorratsbehälter 1 besteht aus einem Hauptkörper 1b, der an seinem oberen Ende eine mit einem Deckel 1a verschließbare Nachfüllöffnung aufweist. An seinem unteren Ende weist der Pulvervorratsbehälter 1 eine Öffnung auf, durch die im Betrieb der Vorrichtung Pulver aufgrund der Schwerkraft auf ein erstes Ende (in 1 und 2 das linke Ende) der Förderfläche der Förderrinne 3 des Schwingförderers 2 aufgebracht wird. Innerhalb des Pulvervorratsbehälters 1 befinden sich in den Figuren nicht dargestellte Leit-/Zwischenbleche, die den statischen Druck des Pulvers aus dem Pulvervorratsbehälter 1 auf die Förderrinne 3 abmildern.
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Die Förderrinne 3 des linearen Schwingförderers 2 ist ein längliches Stück Blech mit einer in dessen Mitte ausgebildeten länglichen Rinne. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Rinne 6 mm breit, 4 mm hoch und 20 cm lang. Der lineare Schwingförderer 2 weist weiter einen Piezoschwinger auf, mit dem die Förderrinne 3 des Schwingförderers zur Förderung des Pulvers gleichzeitig zu einer Schwingungsbewegung (Vibrationssbewegung) senkrecht und parallel zur Förderrichtung gezwungen werden kann. Dabei sind die senkrechte und die parallele Vibrationsbewegung gleichphasig. Der Piezoschwinger ist dafür eingerichtet, die Vibrationsbewegung der Förderrinne 3 mit einer Frequenz in einem Bereich von mehr als 120 Hz bei einer Schwingweite in einem Bereich von 5 μm bis 200 μm auszuführen, wobei die Schwingweite dem Abstand zwischen den beiden Wendepunkten der Vibrationsbewegung entspricht. Der Piezoschwinger weist Aktoren auf, die durch das Anlegen einer wechselnden elektrischen Spannung ihre räumliche Ausdehnung verändern und es kommt zu einer resultierenden Verschiebung der Oberfläche des Aktors, die auf die Förderrinne übertragen wird. Jeder Aktor kann aus einem oder mehreren schichtweise übereinander gestapelten Piezoelementen bestehen. Der piezoelektrische Effekt wird ausgenutzt, um die Förderrinne 3 derart in Bewegung zu versetzen, dass sie eine Vibrationsbewegung in einer Richtung ausführt, die sowohl zu einer Richtung senkrecht zur Förderrichtung als auch zu einer Richtung parallel zur Förderrichtung geneigt ist. Die Vibrationsbewegung weist also bezüglich der Förderfläche eine senkrechte sowie auch eine parallele Vibrationskomponente auf. Im Betrieb ist dabei die Förderfläche der Förderrinne 3, auf der das Pulver gefördert wird, im Wesentlichen waagrecht, d. h. senkrecht zur Richtung der Gravitation ausgerichtet. Im Wesentlichen waagrecht schließt dabei Neigungen der Orthogonalen auf die Förderfläche von ±5% zur Richtung der Gravitation mit ein. Im Betrieb der Vorrichtung wird das Pulver auf der Förderfläche in der Förderrinne 3 von dem ersten Ende der Förderrinne 3 zu dem zweiten Ende der Förderrinne 3 gefördert. An dem zweiten Ende der Förderrinne 3 wird das Pulver an den Pulverauslass 6 abgegeben.
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Die Wurfkennziffer Γ ist eine dimensionslose Größe bei Schwingförderern. Sie gibt an, wie stark ein Gegenstand relativ zur Fallbeschleunigung g der Erde vertikal im Maximum beschleunigt wird. Fördergeschwindigkeit, Wurfhöhe und somit die mittlere Förderleistung sind von der Wurfkennziffer abhängig.
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Die Wurfkennziffer lässt sich bei sinusförmigem Schwingungsverlauf nach folgender Formel berechnen:
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Wobei f die Frequenz der Vibration der Förderrinne, r die halbe Schwingweite (also die Amplitude der sinusförmigen Vibration), β der Winkel zwischen der Waagrechten und der Vibrationsrichtung und g die Fallbeschleunigung ist.
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Die Verwendung eines Piezoschwingförderers anstelle eines Magnetschwingförderers ermöglicht es, durch eine höhere Vibrationsfrequenz die gleiche Wurfkennziffer bei geringerer Schwingweite zu erreichen. Mit dem bekannten Magnetförderer ist somit für das Einstellen einer bestimmten Wurfkennziffer eine größere Schwingweite erforderlich als bei dem bei der vorliegenden Ausführungsform verwendeten Piezoschwingförderer.
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Das Gehäuse 4 dichtet den Schwingförderer 2 mit der Förderrinne 3 von der Umgebung gasdicht ab, wobei in dem Gehäuse eine Einlassöffnung für das Pulver aus dem Pulvervorratsbehälter 1, ein Gaseinlass 5 für das Trägergas und ein Pulverauslass 6 zum Abgeben eines Gemisches aus Pulver und Trägergas vorgesehen ist. Der Gaseinlass 5 in dem Gehäuse 4 kann über einen Massenflusswächter an eine Gasversorgung angeschlossen werden. Mit dem Massenflusswächter wird der Massenfluss des in das Gehäuse eingeleiteten Trägergases geregelt. Das Trägergas kann je nach Anwendung Luft oder ein Inertgas, wie z. B. Stickstoff (N2) oder Argon (Ar), sein. Soll das mit der Vorrichtung zugeführte und dosierte Pulver nicht mit Feuchtigkeit in Kontakt kommen, dann ist die Verwendung von Luft ungeeignet und die Verwendung eines Inertgases ist vorzuziehen. Durch den Pulverauslass wird eine Mischung des Trägergases mit dem durch den Linearförderer dosierten Pulver ausgelassen. Die Dosierung des Pulvers wird jedoch alleine durch die Förderrate des Linearförderers bestimmt. Der Massenfluss des Trägergas bestimmt das Massenverhältnis von Trägergas zu Pulver in dem durch den Pulverauslass abgegebenen Gas-Pulver-Gemisch. Dieses Massenverhältnis kann für ein der Zuführung und Dosierung des Pulvers nachgeschaltetes Verfahren, wie z. B. ein Plasmabeschichtungsverfahren, von Bedeutung sein.
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Bei einem Verfahren zur Förderung und Dosierung von feinem Pulver wird die zuvor beschriebene Vorrichtung verwendet. Das mit der Vorrichtung zugeführte und dosierte feine Pulver besitzt eine Korngrößenverteilung mit einem D50-Wert in einem Bereich von 1 nm bis 30 μm. Die Form der Pulverteilchen kann kugelig, sphärisch oder spratzig sein oder die Pulverteilchen können die Form von sogenannten Flakes besitzen. Das Pulver kann aus den unterschiedlichsten Materialien bestehen, insbesondere aus einem Metall, einer Metalllegierung, einem Polymer oder einer Keramik. Die Pulverteilchen können auch aus unterschiedlichen Materialien zusammengesetzt sein (sogenanntes Compound-Pulver). So können z. B. beschichtete Pulverteilchen mit der Vorrichtung zugeführt und dosiert werden, die aus einem Kern und einer Ummantelung bestehen, wobei der Kern und die Ummantelung aus verschiedenen Materialien sind.
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Die mit dem Verfahren erzielten Förderraten liegen bei einem Anwendungsbeispiel in einem Bereich von 0,01 g/min bis 50 g/min. Dabei wurden Trägergas zwischen 10 sccm und 40 slm verwendet. Die Schwankungen der Förderrate bei der Zuführung und Dosierung von Pulver lagen bei dem Ausführungsbeispiel in einem Bereich von ±2%. Die Vorrichtung und das Verfahren zur Zuführung und Dosierung von feinen und feinsten Pulvern wird bei einem Ausführungsbeispiel dazu verwendet, das Pulver einem Plasmabrenner zuzuführen. Bei dieser Anwendung ist die genaue Dosierung des zugeführten Pulvers von großer Bedeutung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann jedoch auch zur Zuführung zu anderen Anlagen als zu einem Plasmabrenner verwendet werden.
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Bei der oben beschriebenen Ausführungsform ist die Förderfläche auf der das Pulver mit dem Schwingförderer gefördert wird, im Wesentlichen waagrecht, d. h. senkrecht zur Gravitationsrichtung, ausgerichtet. Es ist auch eine Förderung des Pulvers mit einer zur Waagrechten geneigten Förderfläche mögliche. Jedoch ist dann die Förderrate deutlich stärker von der Oberflächenrauhigkeit und -strukturierung sowie der Morphologie der Pulverteilchen (kugelig, sphärische oder spratzige Form oder sogenannte Flakes). Ggf. muss bei einer geneigten Förderfläche eine an die Pulvermorphologie (Pulverteilchenform) angepasste Förderrinne verwendet werden.
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Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde die Förderrinne 3 so beschrieben, dass die Rinne 6 mm breit, 4 mm hoch und 20 cm lang ist. Je nach Pulverart und zu erzielender Förderrate kann die Rinne jedoch auch andere Abmessungen, insbesondere kleinere Abmessungen von z. B. 0,5 mm Breite, 0,1 mm Höhe und 5 cm Länge der Rinne besitzen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Zuführung und Dosierung von Pulver wurde mit einer linearen Förderrinne beschrieben. Diese Geometrie der Fördereinrichtung stellte die einfachste und kompakteste Geometrie dar. Jedoch ist es auch möglich andere Geometrien der Fördereinrichtung zu verwenden.
