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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für das Beaufschlagen eines Werkstücks mit einem mit Druck beaufschlagten flüssigen Medium. Die Vorrichtung enthält ein Düsenmodul, das einen Modulkörper mit einer darin ausgebildeten Kammer hat, und umfasst eine Einrichtung für das Zuführen eines mit Druck beaufschlagten flüssigen Mediums in die Kammer. Darüber hinaus betrifft Erfindung auch ein Verfahren zum Erzeugen wenigstens eines Fluidstrahls.
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Eine derartige Vorrichtung ist aus der
WO 2009/144073 A1 bekannt. Dort ist das Reinigen von Werkstücken in einer Reinigungsanlage beschrieben, in der ein Werkstück durch eine in eine Längsrichtung erstreckte Spaltdüse mit einem kontinuierlichen Fluidstrom beaufschlagt wird. Dabei wird z. B. mit einem Druck von bis zu 100 bar beaufschlagtes flüssiges Reinigungsmedium durch eine Düsenöffnung hindurch auf das Werkstück geführt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung für das Beaufschlagen eines Werkstücks mit mindestens einem Fluidstrahl bereitzustellen und ein Verfahren für das Erzeugen von mindestens einem Fluidstrahl anzugeben.
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Diese Aufgabe wird mit der in Anspruch 1 angegebenen Vorrichtung und dem in Anspruch 15 angegebenen Verfahren gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung für das Beaufschlagen eines Werkstücks mit einem mit Druck beaufschlagten flüssigen Medium enthält einen Modulkörper mit einer durch eine Wand begrenzten Kammer, in der mindestens eine Öffnung für das Austreten des flüssigen Mediums aus der Kammer durch eine Düse ausgebildet ist.
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Der Erfindung liegt insbesondere der Gedanke zugrunde, dass mit Fluidstrahlen aus einem fluiden Medium, insbesondere mit pulsierenden Fluidstrahlen aus einem fluiden Medium Bearbeitungsrückstände auf Werkstücken, wie Fette oder Kühlschmiermittel aber auch partikuläre Rückstände besser entfernt werden können.
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Unter einem pulsierenden Fluidstrahl aus einem fluiden Medium wird dabei ein Fluidstrahl verstanden, bei dem der Massenstrom des fluiden Mediums als Funktion der Zeit variiert. In einem solchen pulsierenden Fluidstrahl wird das Fluid im Unterschied zu einem kontinuierlich strömenden Fluidstrahl z. B. mit einer wechselnden Strömungsgeschwindigkeit und/oder mit Unterbrechungen bewegt.
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Das Entfernen von Bearbeitungsrückständen auf Werkstücken ist u. a. bei Werkstücken wie Motorenkomponenten, z. B. Zylinderköpfen von Bedeutung. Dort werden bei der mechanischen Bearbeitung Kühlschmierstoffe eingesetzt und es entstehen Späne. Hierdurch werden solche Werkstücke verunreinigt. Diese Verunreinigungen können Störungen bei nachfolgenden Montageprozessen hervorrufen und die technische Funktionalität von Systemen beeinträchtigen, die aus entsprechenden Werkstücken hergestellt sind. Verunreinigungen mit Kühlschmierstoffen und Spänen in Zylinderkopfbohrungen und Einspritzdüsen bergen bei Verbrennungsmotoren die Gefahr von Motorschäden, die irreparabel sind.
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Um einen pulsierenden Fluidstrahl zu erzeugen, schlägt die Erfindung vor, dass die Kammer in dem Modulkörper durch eine Membran begrenzt ist, die für das Einleiten von Schallwellen in das flüssige Medium mit wenigstens einem Schwingungserzeuger schwingungsgekoppelt ist.
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Hierdurch ist es möglich, pulsierende Fluidstrahlen aus einem mit einem Druck p beaufschlagten Medium zu erzeugen, der z. B. zwischen 0,5 bar und 3,5 bar oder auch zwischen 3,5 bar und 60 bar liegen kann, ohne dass der bei den sogenannten mechanisch angetriebenen Impulsdüsen auftretende Druckverlust auftritt, der eine reinigende Wirkung von flüssigem Medium bei diesen Drücken herabsetzt. Anders als bei dem Erzeugen von Mikroblasen in flüssigem Medium für das Beaufschlagen der Oberfläche eines Werkstücks mit Ultraschallwellen in einem Fluidstrahl wird hier die Reinigungswirkung des pulsierenden Fluidstrahls durch Unterbrechungen des Fluidstrahls nicht beeinträchtigt.
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Um den pulsierenden Fluidstrahl mit vergleichsweise geringem Energieeinsatz, d. h. effizient zu erzeugen, ist es von Vorteil, wenn die Membran eine der Wand mit mindestens einer Öffnung für das Austreten von flüssigem Medium aus der Kammer zugewandte Oberfläche hat. In der Wand ist dabei bevorzugt wenigstens eine Düse ausgebildet, die mindestens eine Öffnung für das Austreten von flüssigem Medium aus der Kammer hat. Eine Idee der Erfindung ist es dabei insbesondere, dass der Modulkörper als ein Kasten ausgebildet ist und die Membran eine Kastenwand ist, die als ein Blechteil, als ein plattenförmiges Kunststoffteil oder als eine Glasplatte gestaltet ist. Die Dicke der Membran beträgt bevorzugt 0,2 mm bis 3 mm. Die Wand mit der mindestens einer Öffnung für das Austreten von flüssigem Medium aus der Kammer durch eine Düse ist bevorzugt eine Kastenwand. Vorteilhafter Weise liegt diese der Membran gegenüber.
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Mit pulsierenden Fluidstrahlen lässt sich z. B. eine Reinigungswirkung für Werkstücke erreichen, die bei kontinuierlichen Fluidstrahlen das Beaufschlagen von entsprechenden fluiden Medien mit hohen Drücken erfordert, die 3000 bar betragen oder noch höher liegen können und die deshalb sehr energieintensiv sind.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht für das Abfangen von auf die Membran wirkenden Druckkräften eine Stützstruktur vor, die z. B. an dem Modulkörper abgestützt ist. In die der Membran gegenüberliegende Kastenwand können eine Vielzahl von Düsen integriert sein. Um die Membran in Schwingungen zu versetzen, ist es von Vorteil, wenn an den wenigstens einen Schwingungserzeuger eine mit der Membran fest verbundene Sonotrode angeschlossen ist. Um zu vermeiden, dass die Schwingungen der Membran auf die übrigen Wände des Modulkörpers übertragen werden, ist es von Vorteil, wenn zwischen der Stützstruktur und der Membran ein schwingungsdämpfender Elastomerkörper ausgebildet ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Stützstruktur mit der Membran wenigstens eine einseitig geöffnete Wabe bildet. In dieser Wabe ist dann der wenigstens eine Schwingungserzeuger angeordnet.
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Der wenigstens eine Schwingungserzeuger kann z. B. für das Erzeugen von Schallwellen einer Frequenz v ausgelegt sein, die zwischen 20 kHz und 45 kHz, insbesondere zwischen 22 kHz und 38 kHz liegt. Die Einrichtung für das Zuführen eines mit Druck beaufschlagten flüssigen Mediums in die Kammer kann auch eine Pumpe aufweisen, die flüssiges Medium aus einem Fluidbehälter durch eine Leitung ansaugt, mit einem Druck p beaufschlagt und der Kammer durch eine Leitung zuführt, die in die Kammer mündet.
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Die Erfindung erstreckt sich auch auf die Verwendung einer vorstehend angegebenen Vorrichtung für das sogenannte Entfetten von Werkstücken. Darüber hinaus erstreckt sich die Erfindung auch auf ein Verfahren für das Beaufschlagen eines Werkstücks mit mindestens einem pulsierenden Fluidstrahl, bei dem in einer Kammer flüssiges Medium z. B. mit einem Druck 0,5 bar ≤ p ≤ 3,5 bar oder bevorzugt mit einem Druck 3,5 bar ≤p ≤ 60 bar beaufschlagt wird und/oder bei dem das flüssige Medium in der Kammer mit Schallwellen der Frequenz v beaufschlagt wird, die zwischen 20 kHz und 45 kHz liegen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung in schematischer Weise dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Anlage mit einer Vorrichtung für das Behandeln von Werkstücken mit pulsierenden Fluidstrahlen aus einem Düsenmodul;
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2 eine vergrößerte Ansicht des Abschnitts III des Düsenmoduls aus 1;
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3 eine Draufsicht auf eine Werkstücken in der Anlage zugewandte Seite des Düsenmoduls; und
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4 eine Draufsicht auf die Düsenmodul-Schnittebene IV-IV aus 1.
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Die Anlage 10 in 1 ist eine Reinigungsanlage, die für das Reinigen von Werkstücken 12 dient, die in einem Werkstückaufnahmebereich 14 in einer fluiddichten Behandlungskammer 16 angeordnet sind. In der Anlage 10 gibt es eine Vorrichtung 18 für das Beaufschlagen eines in dem Werkstückaufnahmebereich 14 angeordneten Werkstücks 12 mit pulsierenden Fluidstrahlen 20.
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Für das Erzeugen der pulsierenden Fluidstrahlen 20 enthält die Vorrichtung 18 ein Düsenmodul 22, das einen Modulkörper 24 mit einer darin ausgebildeten Kammer 26 hat. Der Modulkörper 24 ist dabei kastenförmig gestaltet. Er hat die Form eines sogenannten Spritzkastens. Die Kammer 26 ist ein quaderförmiger Hohlraum, der von sechs Wandflächen begrenzt ist. Die Vorrichtung 18 umfasst eine Einrichtung 28 für das Zuführen eines mit Druck beaufschlagten flüssigen Mediums 30 aus einem Fluidbehälter 32 in die Kammer 26. Die Einrichtung 28 hat eine Pumpe 34, die aus dem Fluidbehälter 32 flüssiges Medium 30 durch eine Leitung 38 ansaugt und mit einem Fluiddruck beaufschlagt durch eine Druckleitung 40 und ein darin angeordnetes Filter 42 in die Kammer 26 bewegt. Alternativ oder zusätzlich zu dem Filter 42 kann die Einrichtung 28 auch eine Entgasungseinheit enthalten, in der das durch die Druckleitung 40 bewegte flüssige Medium 30 von darin aufgenommenen gasförmigen Bestandteilen befreit wird.
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Die dem Werkstückaufnahmebereich 14 in der Anlage 10 zugewandte Wand 44 des Modulkörpers 24 ist als ein massives Plattenelement gestaltet, das z. B. aus Aluminium, Edelstahl oder Kunststoff besteht und das eine Kastenwand bildet. Auch die Seitenwände 46, 48 und die Deckenwände (nicht gezeigt) des Modulkörpers 24 sind massive Plattenelementen aus z. B. Aluminium, Edelstahl oder Kunststoff und bilden entsprechende Kastenwände. Die Seitenwand 50 ist eine Kastenwand in Form einer Membran, die als ein dünnes Blechelement gestaltet ist, das z. B. eine Dicke hat, die zwischen 0,2 mm und 1,5 mm liegt. Die Seitenwand 50 ist auf ihrer der Wand 44 abgewandten Seite mit einer kreuzrahmenförmigen Stützstruktur 52 zwischen den Plattenelementen der Decken- und Seitenwände 46, 48 des Modulkörpers 24 eingespannt.
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Die 2 ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts des Düsenmoduls 22. Die Kammer 26 ist mit einer umlaufenden Elastomerdichtung 54 zwischen einem an der Seitenwand 50 anliegenden Elastomerkörper 56 und den Decken- und Seitenwänden 46, 48 abgedichtet. Zwischen der kreuzrahmenförmigen Stützstruktur 52 und der Seitenwand 50 ist ein Elastomerkörper 58 ausgebildet, der dazu dient, auf die Seitenwand 50 wirkende Druckkräfte in der Kammer 26 auf die Stützstruktur 52 zu übertragen, um diese damit abzufangen.
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Die 3 ist eine Draufsicht auf eine einem zu reinigenden Werkstück 12 in der Anlage 10 zugewandte Seite des Düsenmoduls 22. In der Wand 44 des Modulkörpers 24 gibt es eine Vielzahl von Düsen 59. Die Düsen 59 sind als die Wand 44 durchsetzende Bohrungen gestaltet. Sie haben jeweils dem Werkstückaufnahmebereich 14 in der Anlage 10 zugewandte Düsenöffnungen 60 für das Austreten eines Fluidstrahls 20 von flüssigem Medium 30 aus der Kammer 26. Auf ihrer in die der Kammer 26 weisenden Seite haben die Düsen 59 trichterförmige Eintrittsöffnungen 62.
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Die 4 ist eine Draufsicht auf die Düsenmodul-Schnittebene IV-IV aus 1. Die kreuzrahmenförmige Stützstruktur 52 hat einen Rahmenabschnitt 64 und weist Stegabschnitte 66 auf. Sie übergreift die Seitenwand 50 des Modulkörpers 24. Mit der Seitenwand 50 bildet die kreuzrahmenförmige Stützstruktur 52 dabei einseitig geöffnete Waben 67, in denen jeweils ein Schwingungserzeuger 68 angeordnet ist. Die Schwingungserzeuger 68 haben jeweils eine Sonotrode 70, die in einem Zentrumsbereich einer jeden Wabe 67 an die Seitenwand 50 angeschlossen sind, und enthalten einen mit der Sonotrode 70 gekoppelten piezoelektrischen Antrieb 72, der mit einem Frequenz-Generator 74 verbunden ist. Dem Boden einer jeden Wabe 67 liegt dabei die Wand 44 des Modulkörpers 24 gegenüber.
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Der Frequenz-Generator 74 dient für das Erzeugen von Ultraschallwellen in der Kammer 26. Mit dem Spannungssignal des Frequenz-Generators 74 ist es möglich, die piezoelektrischen Antriebe 72 der Schwingungserzeuger 68 in einem einstellbaren Frequenzbereich und mit einer einstellbaren Amplitude zu Schwingungen mit Schwingungsfrequenzen v zu erregen, die z. B. zwischen 8 kHz und 45 kHz liegen. Diese Schwingungen werden dabei mittels der an der Seitenwand 50 befestigten Sonotroden 70 über an den Abschnitten der Böden der Waben 67 der Seitenwand 50 als phasengleiche Ultraschallsignale auf mit Druck beaufschlagtes flüssiges Medium 30 in der Kammer 26 übertragen. Die Sonotroden 70 sind auf der Seitenwand 50 festgeklebt. Sie bewirken das zueinander synchrone Schwingen der Abschnitte der Böden der Waben 67. Alternativ hierzu ist es auch möglich, die Sonotroden 70 an der Seitenwand 50 z. B. festzuschrauben.
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In mit Druck beaufschlagtem flüssigen Medium 30 in der Kammer 26 werden hierdurch Ultraschallwellen erzeugt, die das im Wesentlichen gleichförmige Pulsieren eines aus den Düsenöffnungen 60 der Düsen 59 in der Wand 44 des Modulkörpers 24 austretenden Fluidstrahls 20 mit der mittels des Frequenz-Generators 74 eingestellten Schwingungsfrequenz bewirken.
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Aufgrund dieser Ultraschallwellen wird das aus den Düsenöffnungen 60 austretende flüssige Medium in Tropfen bzw. Tropfenpakete 76 zerlegt. Diese Tropfen bzw. Tropfenpakete 76 haben einen gegenüber einem kontinuierlichen Fluidstrahl erhöhten Impuls, der beim Auftreffen der Tropfen bzw. Tropfenpakete 76 auf die Werkstückoberfläche 71 des Werkstücks 12 übertragen wird. Damit wird z. B. ein sehr energieeffizientes Reinigen von Werkstücken 12 ermöglicht, da sich dann mit einem in Bezug auf das Erzeugen von kontinuierlichen Fluidstrahlen verringerten Arbeitsdruck p in der Kammer 26 eine gleiche Reinigungswirkung der Oberfläche von Werkstücken 12 erzielen lässt.
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In einer modifizierten Ausführungsform der Vorrichtung 18 ist die Seitenwand 50 als eine Wand gestaltet, die mehrere Membranen enthält, die den unterschiedlichen Sonotroden 70 zugeordnet sind und die jeweils den Abschnitt der Böden 61 der entsprechenden Waben 67 bilden.
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Um zu gewährleisten, dass die Kammer 26 bei einem Betrieb der Anlage 10 vollständig mit dem flüssigem Medium 30 befüllt ist, hat der Modulkörper 24 in der Seitenwand 48 ein Entlüftungsventil 78, durch das Gasblasen, die in der Kammer 26 in dem flüssigem Medium 30 aufsteigen, aus der Kammer 26 entweichen können.
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Die Vorrichtung 18 für das Beaufschlagen eines in dem Werkstückaufnahmebereich 14 angeordneten Werkstücks 12 mit pulsierenden Fluidstrahlen 20 weist für das Abdecken der Waben 67 mit den darin angeordneten Schwingungserzeugern 68 eine Schutzabdeckung 80 auf. Diese Schutzabdeckung 80 schützt die Schwingungserzeuger 68 in der Anlage 10 vor Dampfschwaden, Spritzwasser und hoher Luftfeuchtigkeit. Um das Eindringen von Feuchtigkeit und fluiden Medien unter die Schutzabdeckung 80 zu unterbinden und die darin angeordneten Schwingungserzeuger 68 zu schützen, ist es von Vorteil, in das mit der Schutzabdeckung 80 überdeckte Volumen 82 Sperrluft oder auch Kühlgase einzuleiten.
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Zu bemerken ist, dass in einer modifizierten Ausführungsform der Vorrichtung 18 die als eine Membran gestaltete Seitenwand 50 des Modulkörpers 24 auch zwischen dem düsentragenden Teil des Modulkörpers 24 und der Stützstruktur 52 dichtend eingeklemmt werden kann.
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Zu bemerken ist auch, dass die vorstehend beschriebenen Beispiele für eine Vorrichtung 18 für das Beaufschlagen eines in dem Werkstückaufnahmebereich 14 angeordneten Werkstücks 12 mit pulsierenden Fluidstrahlen 20 ausgezeichnet für ein Nachrüsten von in industriellen Fertigungseinrichtungen installierten Anlagen für das Behandeln von Werkstücken, insbesondere für das Reinigen von Werkstücken geeignet sind.
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Die Erfindung erstreckt sich auch auf Abwandlungen und Weiterbildungen der vorstehend beschriebenen Anlage und der vorstehend beschriebenen Beispiele für eine Vorrichtung 18 für das Beaufschlagen eines in dem Werkstückaufnahmebereich 14 angeordneten Werkstücks 12 mit pulsierenden Fluidstrahlen 20, in denen Merkmale unterschiedlicher Ausführungsformen kombiniert sind.
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Zusammenfassend sind insbesondere folgende bevorzugte Merkmale der Erfindung festzuhalten: Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung 18 für das Beaufschlagen eines Werkstücks 12 mit einem mit Druck beaufschlagten flüssigen Medium 30. Die Vorrichtung umfasst ein Düsenmodul 22, das einen Modulkörper 24 mit einer darin ausgebildeten Kammer 26 hat, und weist eine Einrichtung 28 für das Zuführen eines mit Druck beaufschlagten flüssigen Mediums 30 in die Kammer 26 auf. Die Kammer 26 in dem Modulkörper 24 ist für das Erzeugen von wenigstens einem Fluidstrahl 20 aus dem flüssigen Medium 30 durch eine Wand 44 begrenzt, in der mindestens eine Öffnung 60 für das Austreten des flüssigen Mediums 30 aus der Kammer 26 durch eine Düse 59 ausgebildet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Anlage
- 12
- Werkstück
- 14
- Werkstückaufnahmebereich
- 16
- Behandlungskammer
- 18
- Vorrichtung
- 20
- Fluidstrahl
- 22
- Düsenmodul
- 24
- Modulkörper
- 26
- Kammer
- 28
- Einrichtung
- 30
- flüssiges Medium
- 32
- Fluidbehälter
- 34
- Pumpe
- 38
- Leitung
- 40
- Druckleitung
- 42
- Filter
- 44
- Wand
- 46
- Seitenwand
- 48
- Seitenwand
- 50
- Seitenwand
- 52
- Stützstruktur
- 54
- Elastomerdichtung
- 56
- Elastomerkörper
- 58
- Elastomerkörper
- 59
- Düse
- 60
- Öffnung
- 61
- Boden
- 62
- Eintrittsöffnung
- 64
- Rahmenabschnitt
- 66
- Stegabschnitte
- 67
- Wabe
- 68
- Schwingungserzeuger
- 70
- Sonotrode
- 71
- Werkstückoberfläche
- 72
- piezoelektrischer Antrieb
- 74
- Frequenz-Generator
- 76
- Tropfen bzw. Tropfenpakete
- 78
- Entlüftungsventil
- 80
- Schutzabdeckung
- 82
- Volumen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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