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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Hochdruckfluidbearbeitung eines Werkstücks, wie sie beispielsweise Verwendung findet, um ein Werkstück mittels eines Hochdruckfluidstrahls zu zerschneiden oder anderweitig zu bearbeiten.
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Stand der Technik
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Vorrichtungen zum Hochdruckfluidstrahlschneiden- bzw. Hochdruckwasserstrahlschneiden sind aus dem Stand der Technik bekannt. Dabei wird ein Fluid, meistens Wasser, mittels einer Hochdruckpumpe stark verdichtet und über eine Injektoreinheit ausgestoßen, so dass ein Hochdruckwasserstrahl entsteht. Durch den hohen Druck des Wassers und die entsprechend hohe Geschwindigkeit der Wasserpartikel im Hochdruckwasserstrahl - gegebenenfalls noch unter Beimengung von abrasiven Partikeln - können auch härteste Materialien zerteilt werden, ohne dass es zu einem nennenswerten Temperatureintrag in das Werkstück kommt. Damit lassen sich auch Werkstoffe, die spröde oder wärmeempfindlich sind, problemlos und nahezu in beliebiger Weise zerteilen. Das gleiche Verfahren kann auch angewendet werden, um das Werkstück mittels des Hochdruckfluidstrahls an seiner Oberfläche zu bearbeiten, beispielsweise um eine Lackschicht oder eine sonstige Beschichtung zu entfernen oder das Werkstück in sonstiger Weise zu bearbeiten.
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Zur Durchführung eines Schnitts oder der Bearbeitung des Werkstücks wird der Hochdruckfluidstrahl auf das Werkstück gerichtet. Das Werkstück ist in einer Haltevorrichtung fixiert und der Schnitt wird dadurch ausgeführt, dass entweder das Werkstück oder die Injektoreinheit relativ zum Werkstück bewegt wird. Soll das Werkstück bewegt werden, so befindet sich dieses auf einem Verfahrtisch, das eine Bewegung des Werkstücks in einer Ebene senkrecht zur Richtung des Hochdruckfluidstrahls ermöglicht. Computergesteuert lässt sich so ein präziser Schnitt durch das Werkstück durchführen, und auch komplizierte Formen lassen sich auf diese Weise generieren.
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Das Hochdruckfluidstrahlschneiden bzw. das Hochdruckwasserstrahlschneiden erfordert jedoch eine relativ hohe Energie, da das Fluid auf einem sehr hohen Druck verdichtet werden muss, um eine entsprechende Schneidleistung zu erzielen. Damit ist eine Verminderung des zu verdichtenden Fluids stets anzustreben, um die Energieaufnahme der Vorrichtung zu minimieren.
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Um Energie und Wasser zu sparen ist es beispielsweise aus der
DE 10 2014 225 247 A1 bekannt, einen gepulsten Hochdruckwasserstrahl zum Zerschneidung eines Werkstücks zu verwenden. Dabei wird eine Injektoreinheit eingesetzt, die den Hochdruckfluidstrahl periodisch unterbrechen kann. Das der Injektoreinheit zugeführte Fluid, das unter hohem Druck steht, wird damit nicht mehr kontinuierlich ausgestoßen, sondern das Fluid trifft in einzelnen Pulsen auf das Werkstück. Auf diese Weise lässt sich sowohl mit weniger Wasser als auch mit weniger Druck die nahezu gleiche Wirkung am Werkstück erzielen.
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Vorteile der Erfindung
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Es wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Fluidwasserstrahlschneiden und eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens vorgeschlagen. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Hochdruckfluidbearbeitung eines Werkstücks weist den Vorteil auf, dass die Effektivität des gepulsten Wasserstrahlschneidens weiter erhöht wird und so der Bedarf an Hochdruckfluid vermindert und damit die Energieaufnahme der Vorrichtung, mit der das Verfahren durchgeführt wird. Dazu wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Injektoreinheit zur Erzeugung eines gepulsten Hochdruckfluidstrahls eingesetzt, vorzugsweise eines gepulsten Hochdruckwasserstrahls, mit einer vorgebbaren Pulsfrequenz. Weiter ist eine Haltevorrichtung zur Fixierung eines zu bearbeitenden Werkstücks vorhanden und weiterhin ein Bewegungssensor zur Erfassung der Bewegung und Schwingung des Werkstücks zumindest in Richtung des Hochdruckfluidstrahls. Weiterhin ist eine Steuervorrichtung zur Steuerung der Frequenz des Hochdruckfluidstrahls vorgesehen. Damit werden folgende Verfahrensschritte durchgeführt: Das Werkstück wird mit einem gepulsten Hochdruckfluidstrahl mit einer vorgegebenen Pulsfrequenz beaufschlagt. Die Bewegung und Schwingung des Werkstücks wird zumindest in Richtung des Hochdruckfluidstrahls mittels eines Bewegungssensors erfasst. Die Pulsfrequenz wird so geändert, dass die Schwingungsanregung des Werkstücks durch den gepulsten Hochdruckfluidstrahl ein Maximum erreicht, und anschließend wird das Werkstück mit dem Hochdruckfluidstrahl und dieser somit gefundenen Pulsfrequenz bearbeitet.
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Durch die Beaufschlagung des Werkstücks mit einem gepulsten Hochdruckfluidstrahl wird das Werkstück in eine Schwingung versetzt, deren Frequenz der Pulsfrequenz des Hochdruckfluidstrahls entspricht, was physikalisch einer erzwungenen Schwingung entspricht. Die Amplitude der Schwingung hängt davon ab, ob diese Frequenz mit einer der Eigenfrequenzen des Werkstücks übereinstimmt, die sich aus der Geometrie, den Materialeigenschaften und den Einspannverhältnissen des Werkstücks in der Vorrichtung ergeben. Schwingt das Werkstück in einer Eigenfrequenz, die durch den Hochdruckfluidstrahl angeregt wird, so ist die Auslenkung des Werkstücks maximal, und diese Werkstückschwingungen überlagern sich mit dem Impuls des Hochdruckfluidstrahls und führen so zu einer Verstärkung der Schneidwirkung. Damit kann mit der gleichen Fluidmenge eine bessere Schneidwirkung erzielt werden bzw. mit weniger Hochdruckfluid die gleiche Schneidwirkung, so dass letztlich weniger Hochdruckfluid benötigt wird und die Energieaufnahme der Hochdruckschneidvorrichtung vermindert wird.
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In vorteilhafter Weiterbildung des Verfahrens wird die Schwingungsanregung des Werkstücks durch den Hochdruckfluidstrahl fortwährend erfasst. Dadurch kann die Pulsfrequenz gegebenenfalls geändert werden und während der Bearbeitung so eingestellt werden, dass die Bearbeitung stets mit einer Pulsfrequenz erfolgt, bei der die Schwingungsanregung des Werkstücks maximal ist, dieses also in einer seiner Eigenfrequenzen angeregt wird.
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In einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren zur Hochdruckfluidbearbeitung eines Werkstücks wird alternativ keine Eigenfrequenz mit Hilfe des gepulsten Hochdruckfluidstrahls angeregt, sondern das Werkstück wird mittels einer Verfahreinrichtung, die das Werkstück in Richtung des Hochdruckfluidstrahls bewegen kann, mit der Pulsfrequenz des Hochdruckfluidstrahls in Schwingung versetzt. Damit schwingt das Werkstück mit der gleichen Frequenz oder einem Vielfachen der Pulsfrequenz des Hochdruckfluidstrahls. Vorzugsweise ist dabei der periodisch auf dem Werkstoff auftreffende Hochdruckfluidstrahl in einer festen Phasenbeziehung mit der Schwingung des Werkstücks, so dass der Hochdruckfluidstrahl immer dann auf das Werkstück trifft, wenn sich dieses durch die Schwingungsanregung in Richtung des Hochdruckfluidstrahls bewegt. Dadurch verstärkt sich der Schneideffekt, und es kann die Schnittgeschwindigkeit erhöht werden oder entsprechend eine Zeit- oder Energieeinsparung erreicht werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Hochdruckfluidbearbeitung eines Werkstücks weist eine Injektoreinheit zur Erzeugung eines gepulsten Hochdruckfluidstrahls auf, eine Haltevorrichtung zur Fixierung des Werkstücks und eine Steuervorrichtung zur Steuerung der Pulsfrequenz des durch die Injektoreinheit erzeugten Hochdruckfluidstrahls. Weiterhin ist ein Bewegungssensor vorgesehen, der die Bewegung bzw. Schwingung des Werkstücks zumindest in Richtung des Hochdruckfluidstrahls erfasst. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung kann die Bewegung bzw. Schwingung des Werkstücks in Richtung des Hochdruckfluidstrahls erfasst werden und somit die Amplitude gemessen werden, mit der das Werkstück durch den Hochdruckfluidstrahl angeregt wird. Auch wenn das Werkstück mit einer Verfahreinrichtung in Richtung des Hochdruckfluidstrahls bewegt wird, lässt sich mittels des Sensors messen, inwieweit das Werkstück dieser Bewegung folgt und ob die Bewegung des Werkstücks in einer festen Phasenbeziehung zur Pulsfrequenz des Hochdruckfluidstrahls steht.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung ist an der Haltevorrichtung eine Verfahreinrichtung vorgesehen, mit der das Werkstück in Richtung des Hochdruckfluidstrahls bewegbar ist. Die Verfahreinrichtung kann auch dazu verwendet werden, das Werkstück senkrecht zur Richtung des Hochdruckfluidstrahls zu bewegen. Die Verfahreinrichtung ist insbesondere dafür geeignet, das Werkstück mit einer Frequenz in Richtung des Hochdruckfluidstrahls periodisch zu bewegen, die der Pulsfrequenz des Hochdruckfluidstrahls entspricht.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Bewegungssensor zur Erfassung der Bewegung des Werkstücks ein Ultraschallsensor. Weiter kann der Bewegungssensor in vorteilhafter Weise ein optischer Sensor sein oder ein Beschleunigungssensor, der direkt auf das Werkstück aufgebracht ist.
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Figurenliste
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In der Zeichnung ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Hochdruckfluidbearbeitung eines Werkstücks dargestellt. Es zeigt
- 1 eine schematische Darstellung einer solchen Vorrichtung,
- 2 eine Draufsicht auf die Haltevorrichtung für das Werkstück und
- 3 eine perspektivische Darstellung der Haltevorrichtung eines weiteren Ausführungsbeispiels,
- 4a, 4b und 4c verschiedene Ausführungsbeispiele des Bewegungssensors und
- 5 eine Illustration des schwingenden Werkstücks, das in der Haltevorrichtung eingespannt ist.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Hochdruckfluidbearbeitung eines Werkstücks 4 schematisch dargestellt. Die Vorrichtung weist eine Injektoreinheit 1 auf, die dazu ausgebildet ist, einen Hochdruckfluidstrahl 2 zu erzeugen, der durch eine Öffnung in der Injektoreinheit 1 austritt. Das Fluid, meistens Wasser, wird in einem Fluidtank 7 vorgehalten und über eine Leitung 8 einer Hochdruckpumpe 9 zugeführt, dort verdichtet und über eine Hochdruckleitung 10 der Injektoreinheit 1 zugeführt. Die Injektoreinheit 1 ist dazu ausgebildet, einen gepulsten Hochdruckfluidstrahl 2 zu erzeugen, also den Hochdruckfluidstrahl periodisch zu unterbrechen, so dass der Hochdruckfluidstrahl mit einer bestimmten Pulsfrequenz auf das Werkstück 4 trifft. In der Injektoreinheit 1 ist dazu eine elektrisch angesteuerte Unterbrechereinheit vorgesehen, die über eine Steuerleitung 13 mit einer Steuervorrichtung 12 verbunden und durch diese angesteuert wird. Damit kann die Pulsfrequenz in einem weiten Bereich eingestellt werden, vorzugsweise mit einer Pulsfrequenz von 1 Hz bis 100 Hz.
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Das Werkstück 4 ist in einer Haltevorrichtung 5 fixiert, wobei die Haltevorrichtung 5 in diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen als ein Rahmen ausgebildet ist, in dem das hier rechteckige Werkstück 4 mittels mehrerer Klemmvorrichtungen 6 fixiert ist. Die Haltevorrichtung 5 ist ihrerseits durch Verschiebeeinheiten 16, 17 bewegbar, wobei eine - hier nur schematisch angedeutete - Verschiebeeinheit 16 die Haltevorrichtung 5 in x-Richtung bewegt, während eine zweite Verschiebeeinheit 17 die Haltevorrichtung 5 in y-Richtung, d. h. in die Zeichenebene hinein, bewegen kann. Je nach Form des Werkstücks 4 kann die Haltevorrichtung 5 auch in anderer Weise ausgebildet sein, um das Werkstück aufnehmen zu können.
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Zur Erfassung der Bewegung bzw. der Schwingung des Werkstücks 4 dient ein Bewegungssensor 15, der unterhalb des Werkstücks 4 angeordnet ist und der beispielsweise als Ultraschallsensor ausgebildet ist. Der Bewegungssensor 15 ist über eine Sensorleitung 14 mit der Steuervorrichtung 12 verbunden, so dass die Steuervorrichtung 12 entsprechende Signale vom Bewegungssensor 15 empfängt und somit die Bewegung des Werkstücks 4 erfassen kann. In 2 ist dazu noch einmal eine untere Ansicht der Haltevorrichtung 5 gezeigt und die Positionierung des Bewegungssensor 15. Der Bewegungssensor 15 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit Abstand zum Werkstück 4 angeordnet und erfasst dessen Bewegung in Richtung des Hochdruckfluidstrahls 2.
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Um die Schneidwirkung des Hochdruckfluidstrahls 2 zu verstärken, der gepulst auf das Werkstück 4 trifft, wird folgendes Verfahren angewandt: Über die Steuervorrichtung 12 wird an der Injektoreinheit 1 ein gepulster Wasserstrahl erzeugt, der mit einer vorgegebenen Frequenz auf das Werkstück 4 trifft. Diese Frequenz kann in weiten Bereichen eingestellt werden und ist vorzugsweise im Bereich zwischen 5 und 30 Hz angesiedelt. Der gepulste Hochdruckfluidstrahl 2 trifft auf das Werkstück 4 und versetzt dieses dadurch in eine Schwingung, was physikalisch einer erzwungenen Schwingung entspricht. Die Amplitude dieser Schwingung wird im Wesentlichen bestimmt durch die Pulsfrequenz des Hochdruckfluidstrahls 2, die Geschwindigkeit und Menge des auftreffenden Fluids, die mechanischen Materialeigenschaften des Werkstücks 4 und durch dessen Fixierung auf der Haltevorrichtung 5.
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Je näher die Pulsfrequenz des Hochdruckfluidstrahls 2 an einer Eigenfrequenz des Werkstücks 4 liegt, desto größer ist die Schwingungsamplitude des Werkstücks 4 in Antwort auf die Anregung durch den Hochdruckfluidstrahl 2. Über den Bewegungssensor 15 wird die Bewegung des Werkstücks 4 in Richtung des Hochdruckfluidstrahls 2 erfasst und damit auch die Schwingungsamplitude des Werkstücks 4. Wird die Pulsfrequenz des Hochdruckfluidstrahls 2 verändert, so verändert sich ebenfalls die Amplitude des Werkstücks 4, mit dem dieses schwingt. Durch Verändern der Frequenz des Hochdruckfluidstrahls 2, also der Pulsfrequenz, kann somit ein Amplitudenmaximum der Schwingung des Werkstücks 4 eingestellt werden, was genau dann der Fall sein wird, wenn die Pulsfrequenz des Hochdruckfluidstrahls 2 einer Eigenfrequenz des Werkstücks 4 entspricht. Wird das Werkstück 4 mit dieser Frequenz verschnitten, ist die Schneidwirkung des gepulsten Hochdruckfluidstrahls maximal. Damit kann entweder die Schneidgeschwindigkeit erhöht werden oder es kann weniger Hochdruckfluid eingesetzt und damit weniger Energie verbraucht werden.
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Dabei ist zu beachten, dass sich die Eigenfrequenzen des Werkstücks 4 während des Zerteilens ändern, da die jetzt getrennten Teile des Werkstücks 4 andere Schwingungsmodi aufweisen. Dies kann durch den Bewegungssensor 15 erfasst und die Pulsfrequenz entsprechend während der Bearbeitung angepasst werden.
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In 3 ist eine weitere erfindungsgemäße Haltevorrichtung 5 gezeigt. Diese ist ebenfalls als Rahmen ausgebildet, auf den das Werkstück 4, das hier der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt ist, fixiert werden kann. Die Haltevorrichtung 5 kann mittels einer ersten Verschiebeeinheit 16 in x-Richtung und mittels einer zweiten Verschiebeeinheit 17 in y-Richtung bewegt werden, wobei die beiden Verschiebeeinrichtungen 16, 17 hier exemplarisch als drehende Zylinder dargestellt sind, auf denen die Haltevorrichtung 5 abrollt. An jeder Ecke der Haltevorrichtung 5 befindet sich eine Verfahreinrichtung 1, die es ermöglicht, die Haltevorrichtung 5 in z-Richtung, d. h. in Richtung des Hochdruckfluidstrahls 2 zu bewegen. Die Verfahreinrichtung 18 kann beispielsweise als vier Piezoaktoren ausgebildet sein, was es erlaubt, die Haltevorrichtung 5 mit nahezu beliebiger Frequenz in z-Richtung zu bewegen. Die Verfahreinrichtung 18, d. h. die vier Piezoaktoren, sind mit der Steuervorrichtung 12 verbunden und können durch diese angeregt werden, wobei die Verbindung über Steuerleitungen 19 erfolgt.
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Bei Verwendung einer solchen Haltevorrichtung 5 kann das Verfahren dahingehend abgewandelt werden, dass der Hochdruckfluidstrahl 2 zwar nach wie vor mit einer vorgegebenen Pulsfrequenz auf das Werkstück 4 trifft, die Haltevorrichtung 5 aber jetzt durch die Verfahreinrichtung 18 während der Bearbeitung des Werkstücks 4 mit derselben Frequenz in z-Richtung bewegt wird. Dadurch tritt der gleiche Verstärkungseffekt der Schneidwirkung auf wie bei der Anregung des Werkstücks 4 mit einer Eigenfrequenz. Da die Anregungsfrequenz des Werkstücks 4 hier nicht durch seine Eigenfrequenz vorgegeben ist, sondern durch die Verfahreinrichtung 18 gezielt eingestellt werden kann, können nahezu beliebige Frequenzen verwendet werden und es ist auch möglich, dass die Verfahreinrichtung 18 das Werkstück 4 beispielsweise mit der doppelten oder dreifachen Pulsfrequenz des Hochdruckfluidstrahls 2 anregt. In jedem Fall ist es vorteilhaft, dabei eine feste Phasenbeziehung zwischen der Bewegung des Werkstücks 4 in z-Richtung und der Hochdruckfluidstrahlfrequenz beizubehalten. Es kann so erreicht werden , dass der Hochdruckfluidstrahl immer dann auf das Werkstück 4 trifft, wenn dieses sich bedingt durch die Verfahreinrichtung 18 in Richtung des Hochdruckfluidstrahls bewegt. Dies erhöht den Schneideffekt und damit die mögliche Schnittgeschwindigkeit.
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4a zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Bewegungssensors 15, der mit Ultraschall 20 arbeitet. Der durch den Bewegungssensor 15 ausgesandte Ultraschall 20 trifft auf das Werkstück 4, wird reflektiert und wieder durch den Bewegungssensor 15 aufgefangen. Über die Laufzeit des Signals bzw. über die Phasenbeziehung zwischen ausgesandter und reflektierter Ultraschallwelle kann auf die Bewegung des Werkstücks 4 geschlossen werden.
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Alternativ zeigt dazu 4b ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Abstand zwischen Bewegungssensor 15 und Werkstück 4 und damit dessen Bewegung über einen Laserstrahl gemessen wird. Dabei weist der Bewegungssensor 15 einen Laser 115 auf, der einen Laserstrahl 22 erzeugt, der vom Werkstück 4 reflektiert und in einem Fotoempfänger 215 registriert wird. Ändert sich der Winkel des Laserstrahls 22 beim Auftreffen auf den Fotoempfänger 215, so kann daraus die Position des Werkstücks 4 berechnet werden.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt 4c. Hier ist der Bewegungssensor 15 als Beschleunigungssensor ausgebildet und direkt auf das Werkstück 4 aufgebracht, beispielsweise aufgeklebt. Damit ist der Bewegungssensor 15 der gleichen Bewegung bzw. Schwingung ausgesetzt wie das Werkstück 4 in diesem Bereich und misst die entsprechenden Beschleunigungswerte, aus denen sich die Geschwindigkeit und die Position des Werkstücks 4 bestimmen lässt. Es können auch mehrere Beschleunigungssensoren auf dem Werkstück 4 aufgebracht werden, um die Bewegungen an verschiedenen Punkten zu messen.
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5 zeigt in einer Illustration die Bewegung des Werkstücks 4 innerhalb der Haltevorrichtung 5, wie sie bei Anregung des Werkstücks 4 in seiner Eigenfrequenz geschieht. Das Werkstück 4 ist hier auf der Haltevorrichtung 5 an seinen Kanten eingespannt und kann zwischen dem Rahmen der Haltevorrichtung 5 schwingen. Wird das Werkstück 4 durch den Hochdruckfluidstrahl in seiner Eigenfrequenz angeregt, hier in der ersten Eigenschwingung, so schwingt das Werkstück 4 in seiner Mitte maximal und führt eine Bewegung aus, wie sie in der 5 illustriert ist, wobei die Amplitude der Schwingung in der 5 übertrieben gezeichnet ist und in aller Regel deutlich kleiner ausfallen wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014225247 A1 [0005]
