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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Druckmessung- oder Druckregelung fluidischer Medien im Bereich eines Werkzeug- oder Werkstückhalters, insbesondere eines Hydro-Dehnspannfutters.
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Der
DE 20 2013 004 696 U1 ist eine Dehnspanneinrichtung zu entnehmen, mit einem Grundkörper und einer Dehnbüchse, die unter Bewegung einer geschlossenen Druckkammer in den Grundkörper eingesetzt ist oder diesen umgibt, wobei die Dehnbüchse in einem axialen Wandungsabschnitt, welcher sich über die Länge der Druckkammer erstreckt, dünnwandig ausgebildet ist, so dass sie bei Beaufschlagung der Druckkammer verformt wird, um eine Spannwirkung zu erzielen und wobei die zur Druckkammer weisende Seite des axialen Wandungsabschnitts an den axialen Endbereichen der Druckkammer Ausbuchtungen aufweist, in deren Bereich der axiale Wandungsabschnitt im Vergleich zu einem zentralen Bereich des axialen Wandungsabschnitts eine vermehrte Wandstärke aufweist. Die Ausbildung kann hierbei bogenförmig, insbesondere kreisbogenförmig, ausgebildet sein, so dass sich die Wandstärke der Dehnbüchse im Bereich der Ausbuchtungen stetig verändert.
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Die
DE 10 2015 120 971 A1 offenbart ein Dehnspannfutter zum Einspannen eines Werkzeugs, bspw. eines Bohrers oder eines Fräsers, umfassend eine Kammer zur Aufnahme eines Fluids, wobei die Kammer durch die Aufnahme des Fluids auswölbbar ist und einen Kanal zur Zuleitung des Fluids zur Kammer, wobei die Kammer zum Einspannen des Werkzeugs geeignet ist.
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Bei den angesprochenen Werkzeughaltern wird der Spanndruck vielfach von außen über ein Spannelement herbeigeführt. Hierbei kann zwar ein Spannvorgang des Werkzeugs innerhalb des Werkzeughalters problemlos realisiert werden, wobei der Benutzer des Spannelements in der Regel nicht weiß welche Spannkraft er über das Spannelement auf das zu spannende Werkzeug ausübt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Druckmessung- oder Druckregelung bereitzustellen, die eine eindeutige Aussage über die Spannkraft des Werkzeughalters - respektive Werkstück - relativ zum aufzunehmenden Werkzeug/Werkstück erlaubt.
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Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, einen Werkzeug- oder Werkstückhalter bereitzustellen, der über eine indirekt wirkende Druckmess- oder Druckregeleinrichtung verfügt.
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Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung eine Maschine oder Vorrichtung vorzuschlagen, die mindestens einen Werkzeug- oder Werkstückhalter beinhaltet, wobei im Bereich des Werkzeug- oder Werkstückhalters eine indirekte Druckmess- oder Druckregelung gegeben sein soll.
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Schließlich soll auch ein Verfahren zur indirekten Messung oder Regelung der Spannkraft an einem Werkzeug- oder Werkstückhalter bereitgestellt werden.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Einrichtung zur Druckmessung oder Druckregelung fluidischer Medien im Bereich eines Werkzeug- oder Werkstückhalters, insbesondere eines Hydro-Dehnspannfutters, wobei der Werkzeug- oder Werkstückhalter mindestens einen verformbaren Werkzeug-Aufnahmebereich, Fluidkanäle, mindestens ein im Bereich mindestens eines Fluidkanals vorgesehenes Einstellmittel, mindestens ein mit dem Einstellmittel in Wirkverbindung stehendes Spannmittel, sowie mindestens ein das Spannmittel betätigende Spannelement aufweist, wobei das Einstellmittel mit einem Druckmess- oder Druckregelmittel versehen ist und die Messwerte zumindest über das Spannmittel in einen Bereich außerhalb des Werkzeug- oder Werkstückhalters übertragbar sind.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Einrichtung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die Aufgabe wird auch gelöst durch einen Werkzeug- oder Werkstückhalter beinhaltend eine Einrichtung zur Druckmessung oder Druckregelung nach einem der Ansprüche 1 - 13.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des Werkzeug- oder Werkstückhalters sind den zugehörigen Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch eine Maschine oder eine Vorrichtung beinhaltend mindestens einen Werkzeug- oder Werkstückhalter mit den Merkmalen des Anspruchs 14.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Maschine, respektive der Vorrichtung, sind den zugehörigen Unteransprüchen zu entnehmen. Als Maschinen bieten sich Bohr- oder Fräsmaschinen an.
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Schließlich wird die Aufgabe auch gelöst durch ein Verfahren zum indirekten Messen und/oder Regeln der Spannkraft eines Werkzeug- oder Werkstückhalters mittels einer Druckmess- oder Druckregeleinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 - 13.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den zugehörigen Unteransprüchen zu entnehmen.
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Unter dem Begriff „Fluid“ versteht der Fachmann die gemeinsame Bezeichnung für Gase und Flüssigkeiten.
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Vorteilhafterweise ist das Einstellmittel auf seiner dem Fluiddruck abgewandten Seite mit mindestens einem Druckaufnehmer (Drucksensor) versehen, der einem weiteren Gedanken der Erfindung gemäß, durch mindestens einen Dehnungsmessstreifen (DMS) gebildet ist.
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Bei DMS-Drucksensoren wird eine elastische Verformung des Messstreifens in eine Widerstandsänderung der DMS umgewandelt, um daraus ein elektrisches Ausgangssignal einer Wheatstoneschen Brückenschaltung zu erzeugen.
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Alternativ kann auch auf Bauteile der Mikroelektronik (MEMS) zurückgegriffen werden. Der Einsatz von Mikrosystemen ist überall dort denkbar und sinnvoll, wo Sensoren/Aktoren und Elektronik zusammenarbeiten.
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Hier bietet sich bspw. eine Druckmesszelle mit einem Druckmesselement aus Silizium an, das mit einem glasartigen Verbindungsmittel mit einer Breitseite eines Trägers aus Cordierit keramischem Material verbunden ist und dabei eine Mündung einer Durchgangsöffnung durch den Träger verschließt, damit eine Druckänderung auf der anderen Seite des Trägers ein Biegeelement des Druckmesselements verformen kann, wobei das Druckmesselement als mikroelektromechanisches System ausgebildet und das Verbindungsmittel ein Glaslot ist.
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Einem weiteren Gedanken der Erfindung gemäß kann das Einstellmittel, ausgehend von der Druckseite des Fluidkanals, mit mindestens einem in Richtung des Druckaufnehmers verlaufenden Kanal, insbesondere einem Sackloch, versehen werden.
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Der im Fluidkanal anstehende Druck erstreckt sich somit über den Kanal, insbesondere das Sackloch, in Richtung des Druckaufnehmers, wobei sich bei Druckerhöhung der verbleibende Wandbereich des Einstellmittels verformt und diese Verformung über den Dehnungsmessstreifen festgestellt werden kann.
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Von Vorteil kann sein, dass das Einstellmittel stiftartig ausgebildet und mit einem Dichtring versehen ist.
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Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass das Spannmittel als Madenschraube ausgebildet ist, die insbesondere aus einem nichtmetallischen Werkstoff, bspw. Kunststoff oder Keramik, besteht.
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Das Spannmittel kann mit einem Aufnahmebereich für das Spannelement, insbesondere mit einem Innensechskant, versehen sein, wobei das Spannelement vorteilhafterweise als Inbusschlüssel ausgebildet ist.
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Die Mess- oder Regelwerte können, einem weiteren Gedanken der Erfindung gemäß, vom Einstellmittel (Druckaufnehmer) über die Madenschraube dem Inbusschlüssel zugeleitet werden, der vorteilhafterweise mit einer RFID-Schnittstelle (Radio Frequency Identification) versehen ist. Die Mess- oder Regelwerte können hierbei kontaktlos oder über vorgesehene Kontakte im Bereich außerhalb des Werkzeug- oder Werkstückhalters übertragen werden.
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Ein RFID-System besteht aus einem Datenträger (RFID-Tag), einer Antenne und einem RFID-Lesegerät. RFID-Tags sind Transponder mit Mikroprozessor und Speicher. Derartige Systeme werden vielfach in Warenwirtschaftssystemen, im Personenbereich für Zugangskontrollen oder dergleichen eingesetzt.
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Durch den erfindungsgemäßen Vorschlag besteht nunmehr die Möglichkeit, direkt vor Ort eine Messung - bzw. Regelung - des aktuellen Fluiddrucks vorzunehmen und somit eine eindeutige Aussage über die Spannkraft des Werkzeug- oder Werkstückhalters, relativ zum aufzunehmenden Werkzeug oder Werkstück, zu erhalten. Die übermittelten Messwerte können bedarfsweise an einer Anzeigetafel oder dergleichen angezeigt bzw. digital weiterverarbeitet werden.
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Der Erfindungsgegenstand ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung dargestellt und wird wie folgt beschrieben. Es zeigen:
- 1 Prinzipskizze eines Werkzeughalters;
- 2 Prinzipskizze eines Werkzeugspannvorgangs;
- 3 Prinzipskizze der am Spannvorgang beteiligten Elemente;
- 4 Teildarstellung des Einstellelements samt Drucksensor.
- 5 Druckmesszelle als alternatives Druckmessmittel zu 4
- 6 Druckmesszelle gemäß 5 mit vergrößerter Darstellung des Ausschnitts II.
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1 zeigt als Prinzipskizze einen Werkzeughalter 1, der in diesem Beispiel durch ein Hydro-Dehnspannfutter gebildet ist. Alternativ ist auch ein Werkstückhalter denkbar Der Werkzeughalter 1 ist mit einem verformbaren Werkzeugaufnahmebereich 2 versehen, innerhalb dessen Fluidkanäle 3, 4 vorgesehen sind. Im Fluidkanal 4 befindet sich ein Einstellmittel 5 sowie ein Spannmittel 6, das mit einem Aufnahmebereich 7 für ein hier nicht erkennbares Spannelement versehen ist. Lediglich angedeutet ist ein Werkzeug 8, das in den Werkzeugaufnahmebereich 2 einbringbar ist. Bei Betätigung des Spannmittels 6 wird das Einstellmittel 5 verschoben und bewirkt somit eine Druckerhöhung innerhalb der Fluidkanäle 4, 3 wodurch eine radiale Verformung des Werkzeugaufnahmebereichs 2 in Richtung des Werkzeugs 8 erfolgt.
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2 zeigt als Prinzipskizze einen Werkzeugspannvorgang. Erkennbar ist der Werkzeughalter 1 und das Werkzeug 8. Das Spannelement ist mit dem Bezugszeichen 9 versehen und soll in diesem Beispiel als Inbusschlüssel ausgebildet sein. Der Aufnahmebereich 7 (1) ist in analoger Weise mit einem Innensechskant ausgebildet. Durch Aufstecken des Inbusschlüssels 9 auf das in diesem Beispiel als Madenschraube ausgebildete Spannmittel 6 erfolgt die bereits angesprochene Bewegung des Einstellmittels 5 und somit die Erhöhung des Drucks innerhalb der Fluidkanäle 4, 3.
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Bei dieser an sich bewährten Spanntechnik kann es geschehen, dass ein nicht genügend hoher Radialspanndruck erzeugt wird, um das Werkzeug 8 sicher innerhalb des Werkzeugaufnahmebereichs 2 zu halten. Im Verlauf der Bearbeitung kann es möglicherweise zum Durchrutschen des Werkzeugs 8 innerhalb des Werkzeugaufnahmebereichs 2 kommen, wodurch Beschädigungen an den Bauteilen nicht ausgeschlossen werden können. Hier ist es wünschenswert, eine Information über den erzeugten Radialspanndruck vorliegen zu haben, damit derartige Beschädigungen ausbleiben.
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3 zeigt als Prinzipskizze die am Spannvorgang gemäß 1 und 2 beteiligten Elemente. Erkennbar ist der nur teilweise dargestellte Werkzeughalter 1, der Fluidkanal 4, das Einstellmittel 5 sowie die Madenschraube 6. Das stiftartig (zylindrisch) ausgebildete Einstellmittel 5 wirkt in diesem Beispiel mit einem Dichtring 10 zusammen. Über den Inbusschlüssel 9 wird die Madenschraube 6 in Richtung des Einstellmittels 5 bewegt. Innerhalb des Fluidkanals 4 befindet sich in diesem Beispiel eine Hydraulikflüssigkeit, die durch Bewegung des Einstellmittels 5 unter Druck p gesetzt wird. Die Druckerhöhung bewirkt, dass der in den 1 und 2 beschriebene Spannvorgang des Werkzeugs 8 relativ zum Werkzeugaufnahmebereich 2 herbeigeführt werden kann. Das Einstellmittel 5 ist in diesem Beispiel als Metallstift ausgebildet, während die Madenschraube 6 in diesem Beispiel aus einem Kunststoffmaterial bestehen soll. Ebenfalls denkbar sind keramische Materialien oder Mischungen aus beiden. Der Inbusschlüssel 9 ist mit einer nur angedeuteten RFID-Schnittstelle 11 versehen.
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In diesem Beispiel wird eine Druckmessung abgehandelt. Im Bereich des Einstellmittels 5 ist auf der dem Kanal 4 abgewandten Seite ein Druckaufnehmer 12 vorgesehen, der bspw. durch einen Dehnungsmessstreifen gebildet sein kann.
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Alternative Bauteile aus der Mikroelektronik (MEMS) sind hier ebenfalls denkbar. Über geeignete Übertragungsmittel können die durch den Drucksensor 12 ermittelten Druckwerte über die nicht leitfähige Madenschraube 6 in Richtung des Inbusschlüssels 9 berührungslos übertragen werden.
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Wie der vorangehenden Beschreibung zu entnehmen ist, kann die erfindungsgemäße Einrichtung auch zur Druckregelung fluidischer Medien im Bereich des dargestellten Werkzeug- oder Werkstückhalters eingesetzt werden.
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4 zeigt als Einzelteildarstellung das Einstellmittel 5 im Querschnitt. Erkennbar ist der Drucksensor 12. Innerhalb des Einstellmittels 5 ist ein Kanal 13 eingebracht, der als Sackloch ausgebildet ist. Als Sackloch wird in der Fertigungstechnik eine Bohrung bezeichnet, die das Werkstück nicht wie eine Durchgangsbohrung vollständig durchdringt, also lediglich eine bestimmte Tiefe hat. Das Sackloch 13 ist hierbei so vorzusehen, dass eine definierte Wandstärke a bezogen auf die zugehörige Stirnfläche 14 des Einstellmittels 5 verbleibt. Der im Fluidkanal 4 anstehende Druck p steht nun auch innerhalb des Sacklochs 13 an und führt zu einer nur angedeuteten Verformung dieses Wandbereichs a. Sofern der Drucksensor 12 als Dehnungsmessstreifen ausgebildet ist, kann diese Verformung von selbigem festgestellt und in elektrische Signale umgewandelt werden, die dann mittels der an sich bekannten RFID-Technik in einen Bereich außerhalb des Werkzeughalters 1 berührungslos oder über nicht dargestellte Kontakte übertragen werden können.
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Die 5 und 6 zeigen als Alternative zu 4 eine Druckmesszelle 15. Die Druckmesszelle 15 besitzt einen Träger 16. Der Träger 16 hat die Form einer flachen Kreisscheibe mit einem umfangsprofilierten Rand. Die Materialstärke e des Trägers 16 beträgt etwa 4 mm. Der Durchmesser des Trägers 16 beträgt etwa 12 mm. Der Träger 16 besteht aus einem monolithischen Cordierit C 410 und besitzt eine sich über den gesamten Umfang erstreckende Hinterschneidung 17 und im Bereich einer der Breitseiten 18 eine Kehle 19 zur Aufnahme eines Dichtrings 20. Der Dichtring 20 kann sich auf einem Abschnitt eines Gehäuses 21 abstützen.
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Der Buchstabe M bezeichnet eine Mittelachse des Trägers 16. Eine Durchgangsbohrung 22, die auf der Breitseite 23 eine Mündung 24 und auf der Breitseite 18 eine weitere Mündung 25 aufweist, ist außermittig der Mittelachse M angeordnet. Der Abstand der Achse der Durchgangsbohrung 22 zur Mittelachse M ist größer als der Abstand der Achse der Durchgangsbohrung 22 zum Rand des Trägers 16. Die Achse der Durchgangsbohrung 22 verläuft parallel zu der Mittelachse M.
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Im Bereich der ersten Mündung 24 bildet die Durchgangsbohrung 22 einen ersten Abschnitt 26, der zylinderartig verläuft und eine Länge von 0,8 mm und einen Durchmesser d2 von 0,3 mm aufweist.
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An den ersten Abschnitt 26 schließt sich ein zweiter Abschnitt 27 an, in dem sich der freie Durchmesser der Durchgangsöffnung 22 mit zunehmendem Abstand von der ersten Breitseite 23 stetig vergrößert. Es handelt sich um eine kegelförmige Höhlung mit einem Öffnungswinkel der Kegelfläche von 28°. An den zweiten Abschnitt 27 schließt sich ein dritter Abschnitt 28 an, der wiederum zylindrisch ist und einen Durchmesser d3 von 1,5 mm aufweist. Die axiale Länge des dritten Abschnitts 28 beträgt etwa 1 mm.
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Der dritte Abschnitt 28 ist zur freien zweiten Breitseite 18 hin offen. Der erste Abschnitt 26 wird von einem Druckmesselement 29 verschlossen.
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Das Druckmesselement 29 wird von einem mikroeletromechanischen System MEMS ausgebildet, welches ein Siliziumsubstrat 30, eine auf das Siliziumsubstrat 30 abgeschiedene Schicht 31 und ein oberhalb der Schicht 31 angeordnetes Biegeelement 32 aus Silizium aufweisen kann. Mit der Bezugsziffer 33 ist ein elektronisches Element angedeutet, welches sich bei einer Verbiegung des Biegeelementes 32 aufgrund der Änderung eines Drucks hinsichtlich seiner elektrischen Eigenschaften (Leitwert, Spannung eines pn-Übergangs oder dergleichen) verändert. Es kann sich um ein piezoelektrisches Element handeln. Mehrere Elemente, insbesondere piezoelektrische Elemente, können von einer integrierten Brückenschaltung (nicht dargestellt) gebildet werden.
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Das mikroelektromechanische System 29 ist mittels eines Glaslotes 34 mit der Breitseite 23 des Trägers 16 verbunden, wobei sich eine kreisrunde, die Mündung 24 umgebende Verbindungsfläche ausbildet. Im Bereich des Durchmessers d1 einer Höhlung 35, an die sich die Durchgangsöffnung 22 anschließt, ist das Biegeelement 32 mit der Außenumgebung druckverbunden. Bei dem Glaslot 34 handelt es sich um ein anorganisches Verbindungsmittel, das bei Betrieb der Druckmesszelle 15 keine flüchtigen Bestandteile abgibt oder vom Medium organische Bestandteile aufnimmt. Auf der Breitseite 23 befindet sich eine hier nicht dargestellte Struktur, die im Dickschichtverfahren aufgebracht ist. Es handelt sich insbesondere um Leiterbahnen 36 und mit den Leiterbahnen 36 verbundene elektronische Bauelemente 37. Die Bezugsziffer 38 zeigt Kontaktflächen, an denen Kontaktfstifte (nicht dargestellt) angelötet sein können. Die Kontaktflächen 38 des Druckmesselements 29 sind bspw. durch Drahtbonden mit den Leiterbahnen 36 aus einem Glaslot verbunden. Die auf der Breitseite 23 aufgebrachte elektrische Schaltung inklusive des mikroelektromechanischen Systems 29 ist von einer Kunststoffmasse 39 umgeben. Es kann sich dabei um eine Vergussmasse oder um eine Umspritzung handeln. Eine formschlüssige Verbindung der Kunststoffmasse 39 mit dem Träger 16 wird durch die Hinterschneidung 17 erreicht, in die die Kunststoffmasse 39 eingreift.
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Die Druckmesszelle 15 ist insbesondere für Drücke im Bereich von 40 bis 60 bar geeignet. Es ist von Vorteil, wenn die Durchgangsöffnung 22 eine geradlinige Verlängerung der Höhlung 25 ist und sich der Durchmesser des so gebildeten Doppelhohlkörpers stetig vergrößert. Die Durchgangsöffnung 22 ist somit direkt auf das Biegeelement 32 gerichtet, welches als Siliziummembran eines mikroelektromechanischen Systems ausgebildet ist. Die Höhlung 35 kann einen kreisrunden Querschnitt aufweisen und koaxial zur Durchgangsöffnung 22 angeordnet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Werkzeughalter
- 2
- Werkzeugaufnahmebereich
- 3
- Fluidkanal
- 4
- Fluidkanal
- 5
- Einstellmittel
- 6
- Spannmittel (Madenschraube)
- 7
- Aufnahmebereich
- 8
- Werkzeug
- 9
- Spannelement (Inbusschlüssel)
- 10
- Dichtring
- 11
- RFID-Schnittstelle
- 12
- Druckmessmittel (Dehnungsmessstreifen)
- 13
- Kanal (Sackloch)
- 14
- Stirnfläche
- 15
- Druckmesszelle
- 16
- Träger
- 17
- Hinterschneidung
- 18
- Breitseite
- 19
- Kehle
- 20
- Dichtring
- 21
- Gehäuse
- 22
- Durchgangsbohrung
- 23
- Breitseite
- 24
- Mündung
- 25
- Mündung
- 26
- erster Abschnit
- 27
- zweiter Abschnitt
- 28
- dritter Abschnitt
- 29
- Druckmesselement
- 30
- Siliziumsubstrat
- 31
- Schicht
- 32
- Biegeelement
- 33
- elektrisches Element
- 34
- Glaslot
- 35
- Höhlung
- 36
- Leiterbahnen
- 37
- Bauelemente
- 38
- Kontaktfläche
- 39
- Kunststoffmasse
- a
- Wandbereich
- p
- Druck
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202013004696 U1 [0002]
- DE 102015120971 A1 [0003]
