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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Beschichten eines Substrats, insbesondere einer Leiterplatte mit einer Einrichtung zum Auftragen (Materialauftragseinrichtung) eines Beschichtungsmaterials, insbesondere eines Schutzlacks, und einer Einrichtung zum Zuführen eines gasförmigen Mediums (Gas-Zuführeinrichtung), wobei die Materialauftragseinrichtung ein inneres rohrförmiges Element aufweist. Die Erfindung betrifft ferner ein verfahren zum Beschichten eines Substrats mit einem Beschichtungsmaterial, vorzugsweise eine Leiterplatte mit einem Schutzlack.
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Vorrichtungen und Verfahren der vorgenannten Art sind allgemein bekannt und werden dazu eingesetzt, bspw. Leiterplatten mit einem Schutzlack zu versehen. Eine wesentliche Problematik bei der Beschichtung von Leiterplatten mit einem Schutzlack besteht insbesondere darin, den Schutzlack zielgenau aufzutragen. Kleine Abweichungen oder Schutzlackspritzer können sehr schnell zu einer Verschmutzung von Kontakten führen, was sich später in Funktionsstörungen der Schaltung bemerkbar macht.
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Allgemein werden häufig sog. Sprühverfahren eingesetzt, die mit unterschiedlich ausgeformten Sprühdüsen Lack beim Verlassen einer Düse zerstäuben. Ein luftunterstütztes Atomisieren des Lacks ergibt einen mittig geschlossenen, nach außen hin verarmenden Lackfilm unter Ausbildung von Sprühnebel und Spritzern. Diese Methode des Spritzens eignet sich wegen der in sich verlaufenden Übergänge besonders zum manuellen Spritzen mittels Farbspritzpistolen. Eine breite Überlappung der Spritzgänge ist Voraussetzung für ein gleichmäßiges Spritzbild, deshalb lässt sich keine scharf abgrenzende Lackierkante ausbilden.
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Ein Lackierbild mit exakter Begrenzung der Lackierfläche ohne Spritznebel erhält man mit sog. Airless-Sprühsystemen. Weil diese exaktes, wiederholgenaues Sprühen erfordern, werden die verwendeten Sprühventile mit Robotersystemen geführt. Die Überlappung der Sprühgänge sollte dabei möglichst klein sein, um Materialanhäufungen zu vermeiden. Im Stand der Technik sind unterschiedliche Sprühventile und Konstruktionen bekannt.
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Ein bekanntes Verfahren zum Aufbringen eines Schutzlacks ist unter dem Namen „Select-Coat®-Verfahren” bekannt und beruht auf einer Schlitzdüse, die beidseitig ein Rundloch hat. Der Schutzlack wird durch diese Düse gepresst. Die Aufrechterhaltung des Lackfilms wird durch die beiden Lackstrahlen aus den Rundlöchern ermöglicht. Substrate mit höheren Hindernissen, wie sie bspw. eine Flachbaugruppe darstellt, lassen sich nur unbefriedigend beschichten, weil sich hinter jedem überfahrenen Hindernis abhängig von Geschwindigkeit und Bauteilhöhe Sprühschatten ausbilden. Auch treten unter diesen Bedingungen Spritzer auf. Die Viskosität der Lacke darf 200 mPas nicht überschreiten. Ansonsten mehrt sich die Spritzerbildung.
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Für höherviskose Beschichtungsmaterialien existiert ein Verfahren, das sich „Swirl-Coat-Verfahren” nennt und auf einem kreisförmig oder elliptisch bewegten Sprühstrahl beruht. Diese Methode eignet sich bei Flachbaugruppen gut für niedrig bestückte Flächen, wohingegen bei mit höheren Bauteilen bestückte Flächen sehr unterschiedliche Schichtdicken entstehen. Auch ändert sich die Auftragsbreite der Sprühfläche mit dem zwangsläufig notwendigen Wechsel des Abstandes der Düse zum Substrat. Für den Auftrag niederviskoser Stoffe und Lacke auf Flachbaugruppen ist dieses Verfahren nicht geeignet, weil sich zu große Unterschiede in der Lackhöhe ausbilden. Der Sprühkopf kann wegen seiner Größe nicht zwischen hohen Bauteilen eintauchen.
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In
DE 33 29 880 A1 ist ein Sprühventil offenbart, das eine Materialdüse, die das Material am Düsenaustritt verteilt, und Luftdüsen aufweist, die den erzeugten Materialstrom fein verteilter Tröpfchen lenkt. Es entstehen der Lenkung des Luftstroms entsprechend runde oder elliptische Beschichtungsflächen, aus denen Beschichtungsbahnen gebildet werden. Der Sprühkopf kann wegen seiner Größe nicht zwischen hohen Bauteilen eintauchen. Mit dem daraus resultierenden zunehmenden Abstand verbreitet sich der Sprühstrahl und erzeugt Spritzer.
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US 6,170,760 B1 offenhart eine Vorrichtung, in der die Luft in Form eines Mantels um das Beschichtungsmaterial in der Materialdüse geführt wird. Der Lack wird beim Verlassen des Sprühventils zerstäubt. Die Düse kann dünn ausgebildet sein, jedoch nicht beliebig lang, weil sich sonst der dieser Methode anhaftende Pulsationseffekt verstärkt. Auch eine zu dünne Düse (< 0,6 mm) verstärkt die Pulsation und erzeugt Spritzer. Die Pulsation entsteht, weil das Beschichtungsmaterial zur Kugelform strebt, die es im Luftstrom abhängig von Geschwindigkeit, Düsendurchmesser und Viskosität des Beschichtungsmaterials annimmt. Die beim Austritt aus der Düse expandierende Luft erzeugt bei zu dünner Düse Spritzer. Deshalb lässt sich keine schmale Beschichtungsfläche erzeugen, sondern nur ca. 20 mm breite Bahnen. Es können nur niederviskose Lacke verarbeitet werden. Bei höherviskosen Materialien erhöht sich die Pulsation, mit der Folge, dass Spritzer entstehen, weil sich in der Spritzdüse sowohl Luft als auch Stoffanhäufungen ausbilden, die zur unregelmäßigen Materialausbringung führen.
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US 6,132,809 A offenbart einen drehbaren Doppelkopf, der mit einem Dispens- und einem Sprühkopf ausgestattet ist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, der bzw. dem die Nachteile des Standes der Technik nicht anhaften. Insbesondere sollen die Vorrichtung und das Verfahren eine Beschichtung ermöglichen, bei der keine Spritzer entstehen, ein dickschichtiger und ein dünnschichtiger Auftrag möglich sind, wobei die Verarbeitung hoch- und niederviskoser Lacke ohne Düsentausch möglich ist. Zudem soll auch eine Verteilung des Beschichtungsmaterials bspw. hinter Beinchen von Bauelementen auf einer Leiterplatte möglich sein.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird von einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Gas-Zuführeinrichtung ein äußeres rohrförmiges Element aufweist, das koaxial zu dem inneren rohrförmigen Element angeordnet ist und dieses umschließt, so dass ein Gas-Zuführkanal zwischen äußerem und innerem rohrförmigen Element ausgebildet wird, der an seinem dem Substrat zugewandten Ende einen Ringkanal bildet, wobei der Gas-Zuführkanal so ausgestaltet ist, dass das gasförmige Medium parallel zu dem Beschichtungsmaterial durch den Ringkanal ausströmt, um beim Auftreffen auf dem Substrat das Beschichtungsmaterial zu verdrängen und dadurch flächig zu verteilen.
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Das heißt mit anderen Worten, dass die Vorrichtung das Beschichtungsmaterial ohne Zufuhr Von Luft, d. h. nicht vernebelt, auf das Substrat aufbringt und diesen Auftrag erst hier durch entsprechende Zuführung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Pressluft, gleichmäßig auf dem Substrat verteilt. Die Verteilung des Beschichtungsmaterials erfolgt deshalb gleichmäßig, da die Luft in einem ringförmigen Zuführkanal strömt, der den Strom des Beschichtungsmaterials umgibt.
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Diese Ausgestaltung lässt es ohne weiteres zu, das innere rohrförmige Element beliebig lang zu machen, so dass auch zwischen höheren Bauteilen mit sehr geringem Abstand zum Substrat beschichtet werden kann. Damit ist es möglich, nahezu spritzerlos zu beschichten.
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Die Schichtdicke selbst ergibt sich aus der Materialmenge, der Materialviskosität und der Intensität der zugeführten Luft (Verdrängerluft). Beim verdrängen der Materialraupe, die sich zunächst beim Auftragen des Beschichtungsmaterials bildet, entsteht ein Materialwulst, der bspw. Bauteilbeinchen auf einer Leiterplatte umhüllend beschichtet und auch im Sprühschatten liegende Bauteilbeinchen und Bauteile erreicht. Sich ausbildende Schlieren durch Materialunebenheiten gleichen sich bei gut fließenden Materialien aus, während sie bei höherviskosen elastischen Materialien sogar erwünscht sind.
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Wie bereits erwähnt, lassen sich sehr geringe Abstände zwischen Substrat und innerem rohrförmigem Element realisieren. Dieser Abstand beträgt vorzugsweise 6–10 mm. Dadurch bleiben höher gelegene Kontakte, wie Stecker, Schalter, etc. sicher frei von Spritzern. Die Ausbildung von abgekürzten Rundkanten an Ecken durch Nachschleppen der Raupe wird durch den geringen Abstand minimiert, unterstützt vom Verdrängerluftstrahl, der dieses Nachschleppern nahezu eliminiert.
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Werden bspw. niedere Bauteile wie SMD-Bauteile beschichtet, schiebt sich der Wulst, der von der Verdrängerluft erzeugt wird, über diese Bauteile, ummantelt diese vollständig und endet in Form einer entsprechend dem zusätzlichen Materialbedarf ungeraden, aber nebel- und spritzfreien scharfen Abgrenzung der Beschichtungsfläche.
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Die Vorrichtung eignet sich zur Beschichtung mit jedem fließfähigen Beschichtungsmaterial, das aus dem inneren rohrförmigen Element auf das Substrat aufgetragen werden kann. Auch für hochviskose, elastische Stoffe, mit denen sich höhere Schichtdicken erzeugen lassen, sind geeignet. Der Druck der Verdrängerluft wird proportional zu einem Anstieg der Viskosität erhöht.
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In einer bevorzugten Weiterbildung besitzt das innere rohrförmige Element einen dem Substrat zugewandten durchmessergleichen Endabschnitt.
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Das heißt mit anderen Worten, dass sich der Endabschnitt nicht verjüngt, wie dies zur Ausbildung einer Düse im Stand der Technik vorgesehen wird. Vorzugsweise besitzt der Endabschnitt des äußeren rohrförmigen Elements einen Durchmesser von etwa 4 mm und der Endabschnitt des inneren rohrförmigen Elements bis ca. 0,8 mm.
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Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die beiden rohrförmigen Elemente sehr gut auch zwischen sehr dicht beieinander stehenden Bauteilen auf einer Leiterplatte eintauchen können.
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In einer bevorzugten Weiterbildung ist eine Wärmeeinrichtung zum Erwärmen des gasförmigen Mediums vorgesehen, wobei das erwärmte Medium bei seinem Weg durch das äußere rohrförmige Element das Beschichtungsmaterial in dem inneren rohrförmigen Element erwärmt.
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Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die Viskosität des zuvor schon erwärmten Beschichtungsmaterials auch in der inneren Röhre konstant gehalten werden kann, indem ihm eine entsprechende Wärme zugeführt wird. Damit lässt sich ein reproduzierbares Lackbild erzielen.
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In einer bevorzugten Weiterbildung ist dem äußeren rohrförmigen Element ein Ventil zugeordnet, um den Strom des gasförmigen Mediums durch das Element zu unterbrechen.
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Diese Maßnahme bewirkt, dass ein dicker Überzug in Form einer Materialrampe erzielt werden kann, indem die Verdrängerluft abgestellt, d. h. unterbrochen wird. Damit können Bereiche wie bspw. Beinchenreihen von ICs etc. (mit ein und derselben Ausführung der inneres und äußeren Röhre) besonders geschützt werden.
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In einer bevorzugten Weiterbildung weist die Gas-Zuführeinrichtung eine Beimengungseinheit auf, um dem gasförmigen Medium ein pulverförmiges Material beizumengen.
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Dies hat den Vorteil, dass die Eigenschaften des Beschichtungsmaterials verändert werden können.
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In einer bevorzugten Weiterbildung weist die Materialauftragseinrichtung ein Absperrventil auf, dessen Verschlussvorgang den Materialfluss einer asymptotischen Kurve entsprechend beginnt und beendet. Vorzugsweise ist das Absperrventil ein Kugelhahn in Form eines Dreiwegeventils. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Öffnungs- und Schließgeschwindigkeit des Ventils steuerbar sind.
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Diese Maßnahmen haben unter anderem den Vorteil, dass eine Änderung der Geschwindigkeit, mit der die Vorrichtung bewegt wird, die sich beim Anfahren, vor jedem Stoppen und bei jeder Richtungsänderung ergibt, größtenteils kompensiert werden kann.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auch von einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, das die Schritte aufweist:
- – Auftragen des Beschichtungsmaterials auf das Substrat derart, dass eine Raupe gebildet wird, und
- – Beaufschlagen der Raupe mit einem Strahl eines gasförmigen Mediums, so dass die Raupe verdrängt und flächig verteilt wird.
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Dieses Verfahren führt zu den bereits erwähnten Vorteilen, so dass auf deren Wiederholung verzichtet werden kann.
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Bevorzugt wird das gasförmige Medium koaxial zu dem Beschichtungsmaterial geführt. Bei dem gasförmigen Medium kann es sich bspw. um ein Inertgas handeln, was den Vorteil hat, dass ein unerwünschtes Antrocknen des Beschichtungsmaterials an dem inneren rohrförmigen Element verhindert wird.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung wird nun an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In der einzigen Figur ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Beschichten eines Substrats in einer Seitenansicht dargestellt.
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In der Figur ist der Düsenbereich (Beschichtungskopf) einer Beschichtungsanlage dargestellt und mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet. Eine Beschichtungsanlage wird bspw. dazu benutzt, einen Schutzlack auf eine Leiterplatte aufzutragen, um die Leiterbahnen bspw. gegen Feuchtigkeit zu schützen.
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Die Beschichtungsanlage umfasst eine Düseneinrichtung 12, die im Wesentlichen aus zwei Röhren 14, 16 aufgebaut ist. Die Röhre 14 liegt außen (nachfolgend äußere Röhre genannt) und umgibt die innere Röhre 16. Beide Röhren 14, 16 sind koaxial zueinander angeordnet, so dass sich zwischen der inneren Röhre 16 und der äußeren Rohre 14 ein Ringbereich 18 ausbildet.
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Wie sich aus der Figur ergibt, endet die innere Röhre 16 versetzt zu der äußeren Röhre 14, so dass sich ein vorstehender Endabschnitt 20 ergibt.
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An der äußeren Röhre 14 ist eine röhrenförmige Zuführung 22 angebracht, die in den Ringbereich 18 mündet. Über diese Zuführung 22 lässt sich ein gasförmiges Medium in den Ringbereich 18 leiten. Innerhalb dieses Ringbereichs 18, der einen Ringkanal 19 bildet, ist ein Strömungselement 24 angeordnet, das die Strömung des gasförmigen Mediums zum offenen Ende 26 des Ringkanals 19 laminar, d. h. frei von Wirbeln, macht. Das dem offenen Ende 26 gegenüberliegende Ende 28 des Ringkanals 19 ist geschlossen, so dass an dieser Stelle das gasförmige Medium nicht austreten kann. Obgleich in der Figur das offene Ende 26 der äußeren Röhre 14 den gleichen Durchmesser wie der Ringkanal besitzt, ist es auch denkbar, den Durchmesser zu reduzieren, um auf diese Weise die ausströmende Luft dichter an der inneren Röhre strömen zu lassen.
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Die innere Röhre 16 bildet ebenfalls einen Kanal 30 aus, der sich koaxial zum Ringkanal 19 erstreckt und ebenfalls am Endabschnitt 20 offen ist. Am gegenüberliegenden Ende der inneren Röhre 16 ist ein Kopf 42 vorgesehen, der mit einem Absperrventil 44 verbunden ist. Ferner ist der Kopf 42 in einen Endabschnitt der äußeren Röhre 14 eingesteckt bzw. verschraubt. Das Absperrventil ist dafür vorgesehen, die zufuhr eines Beschichtungsmaterials in den Kanal 30 zu steuern. Auch das über die Zuführung 22 zugeführte gasförmige Medium wird über ein nicht dargestelltes Absperrventil gesteuert. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Absperrventil 44 als Dreiwegeventil ausgeführt, so dass neben dem Beschichtungsmaterial auch eine Reinigungslösung zur Reinigung des Kanals 30 einleitbar ist.
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Die Düseneinrichtung 12 ist an einem Arm 50 angebracht, der in der Figur nur schematisch angedeutet ist, und eine Bewegung der Düseneinrichtung 12 in mehreren Dimensionen zulässt. Die in der Figur gezeigten Pfeile deuten die Bewegungsrichtungen an. Neben diesen translatorischen Bewegungen sind auch Schwenkbewegungen möglich.
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Des Aufbringen eines Beschichtungsmaterials auf ein Substrat 60, bspw. eine Leiterplatte 61, lässt sich nun wie folgt durchführen:
Aus einem unter Luftdruck stehenden Vorratsbehälter, der in der Figur nicht dargestellt ist, wird das Beschichtungsmaterial, bspw. ein Schutzlack, über das Absperrventil 44 in den Kanal 30 der inneren Röhre 16 geführt. Am Endabschnitt 20 tritt das Beschichtungsmaterial in Form eines Strahls oder in Form von Tropfen aus und bildet eine Raupe auf der Leiterplatte 61, wenn die Düseneinrichtung 12 sich relativ zu der Leiterplatte 61 bewegt. Um diese Raupe auf der Leiterplatte 61 flächig zu verteilen, wird in die Zuführung 22 Luft oder ein Inertgas eingeführt, das durch den Ringkanal 19 strömt und am offenen Ende 26 der äußeren Rohre 14 austritt. Aufgrund der koaxialen Anordnung der beiden Röhren 14, 16 strömt die Luft parallel zu dem Beschichtungsmaterialstrahl und verdrängt das Beschichtungsmaterial beim Auftreffen auf die Leiterplatte 61. Durch entsprechende Einstellung des Drucks und der Luftmenge kann die Art der Verdrängung auf der Leiterplatte 61 eingestellt werden. Dem Strömungselement 24 kommt hierbei die Aufgabe zu, die in den Ringkanal einströmende Luft wirbelfrei und laminar zu machen, so dass die Luft laminar zu dem Materialstrom ausströmt.
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Die Zufuhr von Luft kann über das Absperrventil unterbrochen werden, falls es notwendig ist, eine dickere Materialschicht auf der Leiterplatte 61 aufzutragen.
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Das Unterbrechen des Materialstroms durch den Kanal 30 muss so erfolgen, dass kein Druck auf das in dem Kanal befindliche Material mehr ausgeübt wird, um auf diese Weise ein Tropfen zu verhindern. Dies ist bspw. möglich, indem ein Verschluss im rechten Winkel zur Fließrichtung des Beschichtungsmaterials angeordnet wird.
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Neben der Beschickung des Kanals 30 mit Beschichtungsmaterial über einen unter Druck stehenden Vorratsbehälter ist es auch denkbar, eine Dosierpumpe anzuordnen, die aus einem Vorratsbehälter Beschichtungsmaterial in den Kanal 30 führt.
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Auf Grund der geringen Abmessungen der Düseneinrichtung 12, der Außendurchmesser der äußeren Röhre beträgt bspw. nur 4 mm, lässt sich der Endabschnitt 20 der inneren Röhre 16 auch bei dicht nebeneinander angeordneten Bauelementen auf der Leiterplatte 61 sehr nahe an diese heranfahren, bspw. bis auf 6 bis 10 mm. Damit lassen sich Spritzer sehr wirkungsvoll vermeiden.
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Darüber hinaus handelt es sich bei den die Kanäle bildenden Röhren um einfache Bauelemente, so dass eine kostengünstige Realisierung der Düseneinrichtung 12 möglich wird.
