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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung für ein Handstück mit einer Spannhülse zum Aufnehmen eines Werkzeugschaftes eines rotierenden Werkzeuges und mit mehreren im Inneren der Spannhülse beweglich angeordneten Klemmkörpern zum drehfesten Festlegen des Werkzeugschaftes innerhalb der Spannhülse.
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Ein Handstück dient zur Aufnahme rotierender Werkzeuge, wie etwa Fräsen, Bohrern oder Schleifkörpern, und überträgt auf diese eine Rotationskraft. Derartige Handstücke kommen unter anderem bei Fußpflegegeräten zum Einsatz. Daneben gibt es auch Handstücke für zahnmedizinische Behandlungsgeräte, für zahntechnischen Einsatz oder für Multifunktionswerkzeuge zur Bearbeitung kleiner Werkstücke. Der Antrieb eines Handstücks kann über eine biegsame Welle erfolgen, die mit einem stationären Motor verbunden ist. Alternativ kann in dem Handstück selbst auch ein Mikromotor enthalten sein, der das rotierende Werkzeug antreibt. Als Handstück im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann somit auch der Handmotor eines Multifunktionswerkzeugs angesehen werden. Daneben gibt es auch Handstücke mit über einem Druckluftanschluss betriebener Turbine.
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Ein Handstück weist eine Spannvorrichtung auf, von der der Schaft des rotierenden Werkzeuges drehfest gehalten und mit dem Handstück verbunden wird. Als Spannvorrichtung werden häufig Spannfutter oder Spannzangen verwendet, mit denen das Werkzeug beispielsweise durch axiales Verschrauben mittels einer Überwurfkappe kraftschlüssig gespannt wird. Nachteilig ist hierbei einerseits, dass das Lösen und erneute Zuspannen der Spannvorrichtung beim Werkzeugwechsel zeitaufwendig ist, andererseits kann zwischen Spannvorrichtung und Werkzeugschaft insbesondere bei Werkzeugen mit sehr kleinem Schaftdurchmesser, bei der Übertragung der Rotationskraft Schlupf auftreten und das gespannte Werkzeug somit durchrutschen.
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Im Bereich der Fußpflegegeräte werden auch selbstspannende Spannvorrichtungen eingesetzt, bei denen Klemmkörper den Werkzeugschaft bei Rotation festklemmen. Aus dem Markt bekannt ist beispielsweise eine Spannvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bei der als Klemmkörper drei zylindrische Stifte vorgesehen sind, die innerhalb einer Spannhülse um den Werkzeugschaft liegen und bei einer Relativdrehung zwischen Werkzeug und Spannhülse zusammengedrückt werden und den Werkzeugschaft innerhalb der Spannhülse verklemmen. Um eine gute axiale Führung des Werkzeugschaftes zu gewährleisten liegen die Zylinderstifte über eine größere Länge an dem Werkzeugschaft an. Dies führt aufgrund der großen Anlagefläche zu einer vergleichsweise geringen Flächenpressung zwischen Klemmkörper und Werkzeugschaft. Hinzu kommt, dass Fertigungstoleranzen des Schaftdurchmessers über seine Länge sowie geringe Krümmungen des Werkzeugschaftes zu einer Verminderung der Zuverlässigkeit beim Spannen führen, so dass Schlupf oder Unwuchten am gespannten Werkzeug auftreten können.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Spannvorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben. Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafter Ausgestaltungen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
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Bei einer erfindungsgemäßen Spannvorrichtung mit einer Spannhülse zum Aufnehmen eines Werkzeugschaftes eines rotierenden Werkzeugs und mit mehreren im Inneren der Spannhülse beweglich angeordneten Klemmkörpern zum drehfesten Festlegen des Werkzeugs innerhalb der Spannhülse wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Spannhülse entlang eines Innenumfangs verteilt angeordnete Aufnahmeräume für die Klemmkörper aufweist, die sich in Umfangsrichtung zumindest zu einer Seite radial nach innen hin verjüngen. Die Klemmkörper sind von einer Käfiganordnung radial beweglich gehalten, wobei die Käfiganordnung mindestens zwei innerhalb der Spannhülse axial beabstandete Käfigebenen aufweist und in jeder Käfigebene mindestens zwei, vorzugsweise mindestens drei der Klemmkörper angeordnet sind.
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Durch den sich verjüngenden Aufnahmeraum werden die Klemmkörper bei einer Relativdrehung zwischen Spannhülse und Käfiganordnung nach innen gedrückt und spannen somit gegen den im Inneren der Käfiganordnung aufgenommenen Werkzeugschaft. Bei geeigneter Ausbildung des Verjüngungswinkels ist ein Durchrutschen des Werkzeugschaftes unmöglich, da ein Zustand der Selbsthemmung zwischen äußerer Spannhülse und innerem Werkzeugschaft, gegenüber dem sich die Klemmkörper abstützen, eintritt.
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Aufgrund der Anordnung der Klemmkörper in mindestens zwei axial voneinander beabstandeten Käfigebenen können sich die Klemmkörper besser an den Verlauf des Werkzeugschaftes und dessen Maßtoleranzen anpassen. Durch die Verwendung von in getrennten Käfigebenen axial beabstandeten Klemmkörpern ist außerdem die Längsführung des Werkzeugschaftes innerhalb der Spannvorrichtung verbessert. Außerdem können die Anpressflächen kleiner gewählt werden, so dass eine höhere Flächenpressung und damit eine höhere Haltekraft bzw. ein höheres Haltedrehmoment erzielt werden kann.
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Die Verwendung von zwei gegenüberliegenden Klemmkörpern pro Käfigebene reicht zum Halten des Werkzeugschafts innerhalb der Spannhülse aus, wenn die Durchmesser, auf denen die Klemmkörper der einzelnen Käfigebenen angeordnet sind und 90 Grad gegeneinander verdreht sind. Bevorzugt ist jedoch eine Ausführung mit drei Klemmkörpern pro Käfigebene, da durch drei Haltepunkte eine stabile Klemmebene definiert wird. Möglich ist natürlich auch die Verwendung von mehr als drei Klemmkörpern pro Käfigebene, durch welche die jeweilige Klemmebene somit überbestimmt wird.
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Als Klemmkörper können vorzugsweise Kugeln verwendet werden, so dass sich jeweils annähernd punktförmige Anlageflächen zwischen Klemmkörper und Werkzeugschaft ergeben. Alternativ ist jedoch auch die Verwendung von Klemmrollen möglich und im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingeschlossen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Käfiganordnung weist diese darüber hinaus eine Innenbegrenzung für die Klemmkörper auf, welche die Klemmkörper gegen Herausfallen sichert. Die Klemmkörper, beispielsweise Kugeln oder Klemmrollen können somit nur bis zu einem bestimmten Grad nach innen bewegt werden. Die Differenz zwischen der radial am weitesten außen liegenden und der radial am weitesten innen liegenden Position der Klemmkörper bestimmt dabei den Durchmesserbereich der Werkzeugschäfte, die von der Spannvorrichtung aufgenommen und gehalten werden können.
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Die Aufnahmeräume können durch an der Innenseite der Spannhülse eingebrachte Nuten ausgebildet werden, die sich in axialer Richtung erstrecken, wobei in jedem Aufnahmeraum jeweils zwei oder mehr Klemmkörper unterschiedlicher Käfigebenen respektive Klemmebenen axial beabstandet angeordnet sein können.
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Die Käfiganordnung kann innerhalb der Spannhülse drehbar angeordnet sein, so dass sich die Klemmkörper bei einer Relativbewegung des Käfigs gegenüber der Spannhülse gegen den Werkzeugschaft verklemmen. Alternativ können die einzelnen Klemmkörper von der Käfiganordnung auch mit entsprechend großem Spiel gehalten werden, so dass diese in den zugehörigen Aufnahmeräumen von einer Freigabeposition bis zu einer Spannposition bewegbar sind. Das hierfür notwendige Spiel kann durch entsprechende Ausgestaltung der Käfiganordnung, wie etwa Wahl eines elastischen Materials und geringer Verwindungssteifigkeit erzielt werden.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden die einzelnen Käfigebenen als separate Käfigringe ausgebildet, die gegeneinander drehbar innerhalb der Spannhülse angeordnet sind. Somit können die einzelnen Käfigebenen unabhängig voneinander unterschiedliche Schaftdurchmesser spannen, so dass Durchmesserabweichungen am Schaft aufgrund von Fertigungstoleranzen automatisch ausgeglichen werden. Durch die Unterteilung der Käfiganordnung in getrennte Käfigringe wird die ganze Käfiganordnung beweglicher und kann sich besser an unterschiedliche Werkzeugschäfte anpassen. Außerdem vereinfacht die Verwendung einzelner Käfigringe die Herstellung der Spannvorrichtung.
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Die Käfiganordnung kann vorzugsweise aus einem faserverstärkten Kunststoff wie etwa CFK (karbonfaserverstärktem, Kunststoff), GFK (glasfaserverstärktem Kunststoff) oder Kevlar, hergestellt werden. Dies ermöglicht einerseits eine kostengünstige Herstellung und führt andererseits zu Gewichtsersparnis gegenüber einem metallischen Käfig, so dass das Handstück entsprechend leicht gebaut werden kann.
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Wird die Käfiganordnung aus einem elastischen Material hergestellt, so kann diese derart ausgebildet werden, dass der Werkzeugschaft darin unter Reibschluss selbsthaltend aufgenommen wird, so dass das Werkzeug nicht herausfallen kann, auch wenn die Klemmkörper sich nicht in einer Sperrstellung befinden.
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Das aufnahmeseitige Ende der Spannhülse kann außerdem durch einen elastischen Dichtungsring, beispielsweise einen Gummiring, verschlossen sein, welche die Spannhülse gegen Eindringen von Flüssigkeiten und/oder Staub schützt. Ein solcher Dichtungsring kann auch dafür sorgen, dass die Käfiganordnung mit den Klemmkörpern nicht aus der Spannhülse herausfallen kann oder dass Werkzeugschaft darin unter Reibschluss selbsthaltend aufgenommen wird.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Handstück mit einer erfindungsgemäßen Spannvorrichtung. Ein solches Handstück weist vorzugsweise ein Gehäuse auf, in dem die Spannhülse der Spannvorrichtung mit entsprechenden Wälz- oder Kugellagern drehbar gelagert ist. Die Spannhülse kann über eine Welle von einem externen Antrieb, über eine druckluftbetriebene Turbine oder von einem in dem Handstück integrierten Motor angetrieben werden. Der typische Drehzahlbereich eines motorgetriebenen Handstücks zur Verwendung bei einer Fußpflegeeinrichtung liegt im Bereich bis etwa 40.000 Umdrehungen pro Minute. Bei Turbinen werden Drehzahlen bis etwa 450.000 Umdrehungen pro Minute erreicht.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der Figuren und anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Dabei zeigt:
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1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Spannvorrichtung in einem ersten Ausführungsbeispiel,
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2 einen Schnitt durch die Spannvorrichtung aus 1 in einer radialen Schnittebene,
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3 eine isometrische Darstellung der Käfiganordnung mit Klemmkugeln des ersten Ausführungsbeispiels,
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4 eine isometrische Darstellung des Käfigs mit Klemmkugeln in einem zweiten Ausführungsbeispiel,
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5 eine isometrische Darstellung einer Spannvorrichtung in einem dritten Ausführungsbeispiel,
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6 eine isometrische Darstellung der Käfiganordnung bei dem dritten Ausführungsbeispiel und
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7 einen einzelnen Käfigring der Käfiganordnung aus 6.
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Die in 1 in einem Längsschnitt dargestellte Spannvorrichtung wird in einem Handstück einer Fußpflegeeinrichtung eingesetzt und dient zum Spannen eines Fräsers, der beispielsweise zum Entfernen von Hornhaut eingesetzt wird. Der Fräser oder ein anderes rotierendes Werkzeug, das hier nur schematisch dargestellt ist, wird an seinem Schaft 5 in der Spannvorrichtung 1 gespannt. Die Spannvorrichtung selbst umfasst eine innen hohle Spannhülse 2, in deren Inneren ein Kugelkäfig 4 angeordnet ist, der insgesamt drei Reihen zu je vier Kugeln 3 aufnimmt, die als Klemmkörper dienen um den Werkzeugschaft 5 gegen die äußere Spannhülse 2 zu verklemmen. An ihrem oberen Ende ist die Spannhülse 2 mittels einer Abdeckkappe 6 und einem zwischen Abdeckkappe 6 und dem oberen Ende der Spannhülse 2 angeordneten Dichtungsring 7 verschlossen. Die Abdeckkappe 6 besitzt eine mittige Öffnung mit einer Längsführung für den eingesetzten Fräserschaft 5. Die Spannvorrichtung ist an ihrem unteren und am oberen Ende jeweils über Kugellager 8 in dem hier nicht gezeigten Gehäuse des Handstücks verbaut. Über eine Welle 9 wird die Spannvorrichtung 1 und mit ihr das gespannte Werkzeug angetrieben.
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Die Verwendung eines Dichtungsrings 7, welcher gleichzeitig auch als Klemmring wirken kann, ist optional und unabhängig von der Funktion der beschriebenen Kugelspannhülse, so dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch Spannvorrichtungen ohne einen solchen Dichtungsring 7 mitumfasst sind.
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Die Spannvorrichtung 1 ist selbstspannend, indem die als Klemmkörper wirkenden Kugeln 3 durch die Rotation der Spannvorrichtung bzw. einer Relativdrehung zwischen dem gespannten Werkzeug und der Spannhülse 2 in eine Klemmposition bewegt werden, in welcher zwischen Fräserschaft 5 und Spannhülse 2 Selbsthemmung eintritt. In 2 ist ein Schnitt entlang der Schnittlinie II-II dargestellt. In diesem Schnitt ist erkennbar, dass die Spannhülse 2 an ihrer Innenwandung in axialer Richtung verlaufende Einfräsungen 2a aufweist, die als Aufnahmeräume für die Klemmkugeln 3 dienen. Diese Aufnahmeräume 2a verjüngen sich in Umfangsrichtung radial nach innen, so dass die Klemmkugeln, je weiter sie gegen die seitliche Begrenzung ihres jeweiligen Aufnahmeraums 2a wandern, nach innen gegen den Fräserschaft 5 gedrückt werden. Die Klemmkraft, die sich hierbei zwischen Kugel 3 und Fräserschaft 5 ausbildet, hängt vom Verjüngungswinkel ab. Ist dieser größer als der Arcustangens der Gleitreibungszahl µ, tritt Selbsthemmung ein und der Werkzeugschaft 5 des eingespannten Werkzeugs wird rutschsicher gehalten.
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Die Kugeln 4 werden in radial verlaufenden Bohrungen des Käfigs 4 geführt und sind somit radial beweglich. Vorzugsweise verjüngen sich die radial verlaufenden Bohrungen in dem Käfig 4 nach innen hin geringfügig, so dass die Kugeln 3 nicht nach innen durchfallen können. Eine entsprechende Verjüngung der Radialbohrungen in dem Käfig 4 bildet somit eine Innenbegrenzung für die Kugeln 3.
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In 3 ist der Käfig 4 mit den Klemmkugeln 3 und dem eingesetzten Fräserschaft 5 gezeigt. In dem Käfig 4 sind die Klemmkugeln 3 in insgesamt vier Käfigebenen angeordnet. Die vier Käfigebenen bilden Klemmebenen, in denen der Fräserschaft eingespannt wird. Aufgrund der punktuellen Einspannung zwischen den jeweils drei Kugeln pro Käfigebene ergeben sich einerseits hohe Anlagekräfte zwischen den Klemmkugeln 3 und dem Fräserschaft 5, andererseits können sich die Kugeln 3 wesentlich flexibler dem Verlauf des Fräserschafts 5 anpassen als dies bei durchgehenden Zylinderstiften der Fall wäre.
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In 4 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem insgesamt drei Reihen zu je acht Kugeln als Klemmkörper vorhanden sind, die sich in gegenseitiger Anlage befinden. Der Käfig 4 besitzt anstelle radialer Bohrungen für die Kugeln 3 bzw. axial verlaufenden Nuten als Aufnahmeräume durchgehende Längsschlitze, in die die Kugeln 3 eingesetzt sind. Auch diese Längsschlitze verjüngen sich in radialer Richtung, so dass die Kugeln nicht nach Innen fallen können.
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Alternativ zu den hier gezeigten Kugeln können als Klemmkörper auch einzelne zylindrische oder tonnenförmige Klemmrollen eingesetzt werden. Auch hier ergibt sich derselbe Vorteil, dass durch eine Unterteilung in einzelne Käfig- bzw. Klemmebenen eine flexiblere Anpassung an den Verlauf des Fräserschaftes 5 und damit eine sicherere Einspannung des rotieren Werkzeuges gewährleistet wird.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Spannvorrichtung ist in den 5 bis 7 gezeigt. Die in 5 dargestellte Spannhülse 2 ist hierbei zur besseren Darstellung transparent gezeichnet. In ihrem Inneren befindet sich die Käfiganordnung 4, welche die Klemmkugeln 3 wieder in radial verlaufenden Bohrungen hält. Über die Welle 9 wird die Spannhülse 2 angetrieben. Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel ist die Käfiganordnung 4 hier jedoch in einzelne Käfigringe 4‘‘ unterteilt, die gegeneinander beweglich sind. Die Käfiganordnung 4 wird hierdurch beweglicher und kann sich noch besser an den Verlauf eines gespannten Fräserschaftes anpassen. Indem sich die einzelnen Käfigringe 4‘‘ gegeneinander verdrehen können, können außerdem Toleranzen des Schaftdurchmessers entlang seines Längsverlaufes ausgeglichen werden. 6 zeigt die Käfiganordnung 4 mit den einzelnen Käfigringen 4‘‘. 7 zeigt einen einzelnen Käfigring 4‘‘ jeweils mit den in radial verlaufenden Bohrungen eingesetzten Klemmkugeln 3.
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Die Anzahl der Käfigringe bzw. Käfigebenen in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen kann variieren. Insbesondere kann eine größere Zahl von Spannebenen als im zweiten Ausführungsbeispiel oder auch eine geringere Zahl vorgesehen sein. Um eine sichere Einspannung und stabile axiale Führung zu gewährleisten sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch mindestens zwei Käfig- bzw. Klemmebenen vorgesehen.
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Die äußere Spannhülse 2 kann aus Messing oder Edelstahl hergestellt sein. Die Käfiganordnung 4 wird verzugsweise aus einem faserverstärkten Kunststoff gefertigt. Insbesondere wenn die Käfiganordnung 4 nicht wie im dritten Ausführungsbeispiel in einzelne Käfigringe unterteilt ist, ist es von Vorteil, wenn der Käfig 4 aus einem elastischen bzw. nachgiebigen Material besteht und somit eine gewisse Verwindung der Käfiganordnung 4 zulässt, um beim Spannen Toleranzen und Abweichungen des Fräserschaftes vom Idealverlauf auszugleichen.
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Die beschriebene Spannvorrichtung kann im Bereich der Fußpflege sowohl bei Handstücken für die sogenannte Trockentechnik, bei der eine Absaugung des entstehenden Schleifstaubes erfolgt, als auch bei der sogenannten Nasstechnik, bei der entstehender Schleifstaub durch fein vernebelte Flüssigkeit gebunden wird, eingesetzt werden. Daneben ist auch ein Einsatz der Spannvorrichtung in zahntechnischen oder zahnmedizinischen Handstücken möglich und im Rahmen der vorliegenden Erfindung mit umfasst.
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Mechanisch über einen im Handstück integrierten Mikromotor oder eine flexible Welle angetriebene Handstücke arbeiten typischerweise im Drehzahlbereich bis etwa 40000 Umdrehungen pro Minute. Die beschriebene Spannvorrichtung kann jedoch auch bei turbinengetriebenen Handstücken, die über einen Druckluftanschluss angetrieben werden, eingesetzt werden. Solche Turbinen arbeiten in einem Drehzahlbereich bis etwa 450.000 Umdrehungen pro Minute. Derartige Handstücke werden zum Beispiel im Bereich zahnärztlicher Behandlungsinstrumente eingesetzt, häufig auch in gewinkelter Bauweise, die dann als Winkelstücke bezeichnet werden. Auch bei solchen dentalen Hand- bzw. Winkelstücken kann die vorliegend beschriebene Spannvorrichtung verwendet werden.
