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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aufnehmen und
Handhaben, von Werkstücken
unter Ausnutzung des hydrodynamischen Paradoxons oder Bernoulli-Prinzips.
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Derartige
Bernoulli-Sauger finden meist Anwendung in Produktionsprozessen,
bei denen hochempfindliche dünne
Werkstücke
verarbeitet werden. Typische Anwendungsgebiet sind das Vereinzeln und/oder
der Transport von Wafern, Platinen, nicht bestückten Leiterplatten, Folien,
Papier, Holzfurnieren etc.
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Sie
werden in der Regel von Automatisierungsgeräten, wie z.B. Robotern geführt und
bilden die Schnittstelle zu den oben genannten Werkstücken.
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Aus
dem Stand der Technik ist eine Vielzahl verschiedener Bauformen
von Bernoulli-Saugern
bekannt. Den meisten dieser Bernoulli-Sauger ist gemein, dass sie,
wie in 1 bis 3 gezeigt, aus einem rotationssymmetrischen
Grundkörper
(1) bestehen, durch den ein gasförmiges Medium (Druckluft, Schutzgas,
etc.) aus mindestens einer Düse
(2) in Richtung des zu hebenden Werkstücks (5) strömt. Beim
Auftreffen auf das Werkstück
(5) wird das gasförmige
Medium zwischen dem Werkstück
und dem Grundkörper
in radialer Richtung abgelenkt.
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Der
dabei auftretende Effekt des hydrodynamischen Paradoxons wird durch
die Bernoulli-Formel wie
folgt beschrieben: Pstatisch + ρ2 ν2 =
Pgesamt = const.
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Unter
Berücksichtigung
der Tatsache, dass die Geschwindigkeit v des in radialer Richtung
in die Umgebung abfließenden
Mediums radial von innen nach außen abnimmt, wird klar, dass
der statische Druck in umgekehrter Richtung zunehmen muss, so dass
zwischen dem Grundkörper
(1) und dem Werkstück
(5) ein Vakuum relativ zur Umgebung entsteht und aus der
Wechselwirkung mit dem Umgebungsdruck eine zum Grundkörper hin
gerichtete Kraft auf das Werkstück
wirkt.
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Zur
Verringerung der dieser Kraft entgegen wirkenden Kräfte, die
beim Auftreffen des Mediums auf das Werkstück entstehen, sind in Bernoulli-Saugern
nach dem Stand der Technik häufig
Vorkehrungen getroffen, die den Strom des Mediums bereits vor dem
Auftreffen auf das Werkstück
in radialer Richtung umlenken. Dies geschieht entweder durch Ausrichtung
der Düse
(
2) bzw. der Düsen
in radialer Richtung, wie in
US
2006 045 652 offenbart, und/oder durch die Ausbildung einer
Diffusorkammer (
3) nach dem in
1 dargestellten
Stand der Technik, in die das Medium durch eine 360° umlaufende Ringspaltdüse (
2)
einströmt.
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Wie
aus der
DE 35 36 432 bekannt
ist es ferner möglich,
durch entsprechende Einbauten in der Diffusorkammer (
3)
den Mediumstrom in radiale Richtung umzulenken.
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Bei
einigen Varianten wird die Bewegung des Werkstücks in Richtung Bernoulli-Sauger
durch vom Grundkörper
(1) erhabene Anlageplatten (4) gestoppt, wie in 3 gezeigt,
so dass auch Querkräfte parallel
zur Werkstückoberfläche infolge
der Haftreibung zwischen Werkstück
und Anlageplatten (4) übertragen
werden können.
Das gasförmige
Medium strömt
dabei zwischen den Anlageplatten (4), dem Grundkörper (1)
und dem angesaugten Werkstück (5)
aus.
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Beim
Fehlen derartiger Anlageplatten (4) tritt das Werkstück (5)
beim Ansaugen nicht in unmittelbaren physischen Kontakt mit dem
Grundkörper
(1), sondern bleibt von diesem durch einen Spalt getrennt,
durch den das Medium ausströmt.
Das Werkstück
(5) schwimmt also auf dem Medium auf, ohne dass Querkräfte übertragen
werden.
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Allen
Bernoulli-Saugern nach dem Stand der Technik ist gemein, dass der
Strom des Mediums das anzuhebende Werkstück (5) an der dem
Bernoulli-Sauger zugewandten Seite direkt bestreicht.
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Hieraus
ergeben insbesondere bei dünnen und/oder
biegeweichen Werkstücken
Probleme in der Handhabung und Anwendbarkeit von Bernoulli-Saugern
nach dem Stand der Technik.
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Abhängig von
der Kontur des Werkstücks
(5) und seiner Oberflächenbeschaffenheit
ist der Strom des Mediums an der Ansaugseite des Werkstücks (5) Reibungswiderständen und
aus der Kontur (Kanten, Unebenheiten, Erhebungen) resultierenden
Formwiderständen
ausgesetzt.
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Wie
in 4 dargestellt, schlägt eine in direkter Umgebung
des Bernoulli-Saugers laminare Strömung (6) bereits allein
aufgrund der Reibungswiderstände
an der Ansaugseite des Werkstücks
(5) um, so dass sich verwirbelte, also turbulente Bereiche
(7) ausbilden. In analoger Weise können Werkstückkonturen wie Kanten, Unebenheiten,
Erhebungen etc. zu Verwirbelungen führen.
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Die
sich daraus ergebenden Wechselwirkung auf ein Werkstück (5)
ist stark unterschiedlich. Bei relativ biegesteifen, leichten, plattenförmigen Werkstücken bereitet
die Nutzung der handelsüblichen
Vakuum-Sauggreifer mit integrierter Vakuumerzeugung nach dem Bernoulli-Prinzip keine Probleme.
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Alle
Werkstücke
(5), deren Eigenschaften eine Instabilität gegenüber besagter
Wechselwirkung zulassen, sind gefährdet, entweder beschädigt zu werden
oder nicht prozessstabil handhabbar zu sein.
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Sind
die Werkstücke
(5) infolge der auf sie wirkenden Kräfte nicht formstabil und lassen
sich z.B. zum Schwingen anregen, so ändern sich kontinuierlich ihre
Kontur und in Folge die Strömung
und die damit auf die Werkstücke
(5) wirkenden Kräfte.
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Je
nach Dämpfungseigenschaft
des Gesamtsystems kommt es insbesondere bei dünnen und biegeweichen Werkstücken (5)
zu entsprechendem dynamischen Verhalten, welches einen prozessstabilen
Handhabungsablauf verhindert.
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Bei
plattenförmigen,
sprödharten
Werkstücken – z.B. dünnem Glas – kommt
es zum Zerbrechen infolge der auftretenden Schwingung.
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Bei
biegeweichen, rissempfindlichen Werkstücken, wie z.B. Papier, kommt
es zum Flattern dieser Werkstücke ähnlich einer
Fahne im Wind, das schließlich
zum Einreißen
im Randbereich der Werkstücke
führen
kann. Dieses Verhalten ist in 5 dargestellt.
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Des
Weiteren legen sich biegeweiche Werkstücke (5) aufgrund der
Luftströmung
an einer Äquidistanten
zur Kontur Grundkörpers
(1) des Bernoulli-Sauggreifers an und werden dabei durch
das Vakuum bei Vorhandensein einer Diffusorskammer (3)
in diese hineingezogen, wie ebenfalls in 5 zu sehen
ist.
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Dabei
werden sie bei entsprechender Rissempfindlichkeit beschädigt und/oder
weisen nach der Handhabung eine entsprechend faltige Struktur auf, die
es letztendlich verhindert, dass derartige Werkstücke z.B.
als glatt aufliegende Schutzzwischenlage prozessstabil funktionieren
bzw. dass die ganze Handhabung prozessstabil funktioniert.
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Eine
funktionssichere Vereinzelung dünner, biegeweicher
Werkstücke
wird damit mit Bernoulli – Saugern
nach dem Stand der Technik nahezu unmöglich.
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Aufgabe
der Erfindung ist ein verbesserter Bernoulli-Sauger, der die beschriebenen
Nachteile nicht aufweist und stattdessen dazu geeignet ist, extrem
biegeweiche Werkstücke,
wie z.B. Seidenpapier, sowie extrem dünne Werkstücke, wie z.B. Glas von 0,1
mm Dicke oder andere dünne
Materialien, auch in Kombination mit kleinen Abmessungen, sicher
zu vereinzeln und/oder zu handhaben.
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Gelöst wird
diese Aufgabe dadurch, dass beim erfindungsgemäßen Bernoulli-Sauger das gasförmige Medium
zur Erzeugung des Bernoulli-Effekts durch eine Blende vom Werkstück getrennt
gehalten und kontrolliert von diesem durch einen vom Grundkörper und
von der Blende begrenzten Strömungskanal
weggeleitet wird.
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In
angesaugtem Zustand wirkt allein das erzeugte Vakuum über eine
oder mehrere Öffnungen
in der Blende auf das an der Blende anliegende Werkstück. Durch
die Ableitung des gasförmigen
Mediums werden unerwünschte
Wechselwirkungen mit dem Werkstück
und daraus bei Bernoulli-Saugern nach dem Stand der Technik resultierende
Verformungen ebenso wie seine Zerstörung oder Verschmutzung durch
das gasförmige
Medium verhindert. Gleichzeitig wirkt die Blende als Anlagefläche für das Werkstück stabilisierend
auf dieses und verhindert sein Hineinziehen in die Diffusorkammer.
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Vorzugsweise
kann die dem Werkstück
zugewandte Seite der Blende anwendungsspezifisch ausgestaltet sein.
Hier kommen etwa Beschichtungen in Frage, die chemische oder thermische
Wechselwirkungen mit dem Werkstück
unterbinden oder einen erhöhten
Reibwiderstand aufweisen und somit die Aufnahme höherer Querkräfte ermöglichen.
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Im
Folgenden sollen zwei besonders bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung
anhand der beigefügten
Abbildungen näher
erklärt
werden.
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Dabei
zeigen:
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1:
Ansicht der Ansaugseite eines Bernoulli-Saugers nach dem Stand der
Technik
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2:
Schnittdarstellung des Bernoulli-Saugers aus 1 während des
Ansaugens eines Werkstücks
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3:
Schnittdarstellung des Bernoulli-Saugers aus 1 nach dem
Ansaugen eines Werkstücks
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4:
Strömungsverhältnisse
im Umfeld von Bernoulli-Saugern nach dem Stand der Technik
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5:
Einsatz von Bernoulli-Sauger nach dem Stand der Technik an dünnen, biegeweichen Werkstücken
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6:
Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bernoulli-Saugers
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7:
Einsatz eines erfindungsgemäßen Bernoulli-Saugers
nach 6 an dünnen,
biegeweichen Werkstücken
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8:
Alternative Blende eines erfindungsgemäßen Bernoulli-Saugers nach 6
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9:
Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bernoulli-Saugers
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10:
Ansaugseite eines erfindungsgemäßen Bernoulli-Saugers
nach 9
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Die
erste, in 6 dargestellte, bevorzugte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Bernoulli-Saugers
(10) weist, wie aus dem Stand der Technik bekannt, einen
Grundkörper
(11) in Form eines geraden Kreiszylinders auf, auf dessen
dem anzuhebenden Werkstück
(5) zugewandten Ansaugseite eine koaxial zum Grundkörper (11)
ausgerichtete, ebenfalls rotationssymmetrische Diffusorkammer (13)
ausgenommen ist, die sich zur Ansaugseite hin erweitert. In diese
mündet
auf ihrer der Ansaugseite gegenüberliegenden
Seite eine 360° umlaufende, ebenfalls
axial zum Grundkörper
(11) ausgerichtete Ringspaltdüse (12), welche über einen
im Grundkörper
angebrachten Druckluftkanal mit Druckluft oder einem anderen gasförmigen Medium
beaufschlagt werden kann.
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Eine
ebenfalls kreiszylindrische, gefäßartige Blende
(15), bestehend aus einem Boden (16) mit einer
Blendenöffnung
(18) und einer Seitenwand (17), ist koaxial mit
dem Grundkörper
(11) derart ausgerichtet, dass der Boden (16)
die Ansaugseite des Grundkörpers
(11) abdeckt und damit dessen Diffusorkammer (13)
in Richtung des anzusaugenden Werkstücks (5) abschließt, während die
Seitenwand (17) der Blende (15) die Mantelfläche des
zylindrischen Grundkörpers
(11) in seiner Höhe
zumindest teilweise umgibt. Dabei ist der Innendurchmesser der Blende
(15) größer als
der Außendurchmesser
des Grundkörpers
(11) gewählt,
so dass zwischen der Mantelfläche
des zylindrischen Grundkörpers
(11) und der Seitenwand (17) der Blende (15)
ein spaltförmiger
Strömungskanal
(19a) entsteht. In axialer Richtung stehen der Grundkörper (11)
und die Blende (15) ebenfalls in keinem unmittelbaren physischen Kontakt
sondern sind durch einen spaltförmigen
Strömungskanal
(19b) zwischen dem Boden (16) der Blende (15)
und dem Grundkörper
(11) voneinander getrennt, während besagter Strömungskanal
(19b) mit dem Strömungskanal
(19a) zwischen der Seitenwand (17) der Blende
(15) und dem Grundkörper
(11) in Verbindung steht.
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Die
koaxiale und entlang der gemeinsamen Achse lineare Ausrichtung der
Blende (15) bezüglich des
Grundkörpers
(11) kann mittels in 6 nicht
gezeigter Positionierungsmittel – etwa in Gestalt dreier in
ihre Seitenwand (17) eingesetzter, jeweils um 120° um die Rotationsachse
versetzter Schrauben – erfolgen,
die sich auf der Mantelfläche
des Grundkörpers (11)
abstützen.
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Zusätzlich kann
sich der Grundkörper
(11), wie in 6 dargestellt, mittels sich
von seiner Ansaugseite abhebender, und aus dem zuvor beschriebenen
Stand der Technik bekannter Anlageflächen (14) auf dem
Boden (16) der Blende (15) abstützen, so
dass der Strömungskanal
(19b) zwischen Grundkörper
(11) und Blendenboden (16) genau definiert ist.
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Strömt nun Druckluft
oder ein anderes gasförmiges
Medium durch die Düse
(12) in Richtung eines anzusaugenden Werkstücks (5),
so wird es vom Boden (16) der Blende (15) davon
abgehalten, besagtes Werkstück
zu überstreichen.
Stattdessen strömt
das Medium durch die Diffusorskammer (13) und die Strömungskanäle (19a, 19b)
zwischen Grundkörper
(11) und Blende (15) nach außen und wird dabei vom anzusaugenden
Werkstück
(5) weggeleitet.
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7 zeigt
den Einsatz eines erfindungsgemäßen Bernoulli-Saugers
(10) an dünnen,
biegeweichen Werkstücken
(5). Der im Innern der Diffusorkammer (13) und
im Strömungskanal
(19b) zwischen dem Blendenboden (16) und dem Grundkörper (11) herrschende
Unterdruck bewirkt über
die die Blendenöffnung
(18) im Blendenboden (16) einen Ansaugeffekt auf
das Werkstück
(5), ohne dass es zu den beim Stand der Technik beschriebenen,
störenden Einflüssen des
strömenden
Mediums auf das Werkstück
(5) kommt. Das Werkstück
legt sich an der Außenseite
des Blendenbodens (16) allein unter Wirkung des Vakuums
an, ohne dass es vom gasförmigen
Medium bestrichen wird.
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Insbesondere
für den
Einsatz an sehr dünnen,
biegeweichen und/oder sehr kleinen Werkstücken (5) hat sich
eine besonders bevorzugte, alternative Konstruktion der Blende bewährt, die
anstatt einer Blendenöffnung
(18) eine Vielzahl kleiner Blendenöffnungen (18) aufweist,
wie in 8 dargestellt. Sie verhindert, dass das Werkstück durch
eine große Blendenöffnung Richtung
Diffusorkammer (13) angesaugt wird und dadurch beschädigt wird.
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Da
die im Zusammenhang mit den 6–8 beschriebene
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Bernoulli-Saugers
(10) einen Grundkörper
(11) besitzt, der im Wesentlichen den Bernoulli-Saugern
nach dem Stand der Technik entspricht, ist es offensichtlich, dass
die beschriebene Blende (15) auch als Ergänzung für Bernoulli-Sauger nach
dem Stand der Technik, und damit als Nachrüstsatz für diese, denkbar ist.
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9 und 10 zeigen
eine zweite bevorzugte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Bernoulli-Saugers
(20) in der Schnittdarstellung bzw. von der Ansaugseite
her gesehen.
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Besagter
Bernoulli-Sauger (20) besteht aus einem flachen, quaderförmigen Grundkörper (21),
einer Blende (25) mit mindestens einer Blendenöffnung (28)
und einer Flachdüse
(22) mit einem im Wesentlichen rotationssymmetrischen Anschlussteil
(24) und einem flachen Düsenbereich (23), der
einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist.
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Die
Blende (25) ist wannenförmig
ausgeführt und
weist ihrerseits einen rechteckigen Blendenboden (26) mit
lediglich an drei Seiten umlaufenden Seitenwänden (27) auf, so
dass eine der beiden kurzen Seiten der Blende (25) offen
ist. Die Seitenwände (27)
stehen dabei im Wesentlichen senkrecht zum Blendenboden (26),
die beiden längeren
Seitenwände
haben einen Abstand, der identisch mit der langen Seite des rechteckigen
Querschnitts des flachen Düsenbereiches
(23) und identisch mit der mittleren Seitenlänge des
quaderförmigen
Grundkörpers
ist.
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Im
montierten Zustand, wie in 9 und 10 gezeigt,
ist der flache Düsenbereich
(23) so zwischen dem Blendenboden (26) und dem
Grundkörper
(21) einerseits und den beiden langen Seitenwänden (27)
der Blende (25) andererseits eingeklemmt, dass er die kurze,
offene Seite der Blende (25) zusammen mit der Grundkörper (21)
verschließt. Dabei
ragt der flache Düsenbereich
(23) nur teilweise in die wannenförmige Blende (25)
hinein und wird im Innern der Blende (25) vom Grundkörper (21) überragt,
so dass sich zwischen Blende (25), dem Grundkörper (21)
und dem flachen Düsenbereich
(23) ein Strömungskanal
(29b) ergibt. Der Grundkörper (21) liegt dabei
derart zwischen den langen Seitenwänden (27) der Blende,
dass er mit diesen formschlüssig
ist. Lediglich an seiner Stirnseite lässt er einen Strömungskanal
(29a) zur kurzen Seitenwand (27) der Blende (25)
hin offen, durch den das aus der Flachdüse (22) ausströmende, gasförmige Medium über den
Strömungskanal
(29b) in die Umgebung ausströmen kann.
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Der
Grundkörper
(21) kann entweder mit der Blende (25) verschraubt,
oder – wie
in 9 dargestellt – mittels eines fest mit der
Blende (25) verbundenen Klemmbügels (30) und einer
in diesen eingeschraubten Schraube (31), die eine Kraft
auf den Grundkörper
(21) ausübt,
festgeklemmt werden.
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Ähnlich wie
bei der ersten bevorzugten Ausführungsform
(10) des erfindungsgemäßen Bernoulli-Saugers
wird auch bei der zweiten bevorzugten Ausführungsform (20) das
Medium vom Blendenboden (26) davon abgehalten, das anzusaugende Werkstück zu überstreichen.
Stattdessen strömt
das Medium durch die zuvor beschriebenen Strömungskanäle (29a, 29b) zwischen
Grundkörper
(21) und Blende (25) nach außen und wird dabei vom anzusaugenden
Werkstück
weggeleitet.
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In
Analogie zur ersten bevorzugten Ausführungsform bewirkt der im Innern
des Kanals (29b) zwischen dem Blendenboden (16)
und dem Grundkörper
(11) herrschende Unterdruck über die Blendenöffnung (28)
im Blendenboden (26) einen Ansaugeffekt auf das Werkstück ohne
dass es zu den beim Stand der Technik beschriebenen, störenden Einflüssen des
strömenden
Mediums auf das Werkstück kommt.
Das Werkstück
legt sich an der Außenseite des
Blendenbodens (26) allein unter Wirkung des Vakuums an,
ohne dass es vom gasförmigen
Medium bestrichen wird.
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Eine
Vielzahl von Blendenöffnungen
(28), wie in den 9 und 10 gezeigt,
ist auch bei der zweiten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Bernoulli-Saugers
besonders vorteilhaft, wenn damit sehr dünne, biegeweiche und/oder sehr
kleine Werkstücken
gehandhabt werden sollen.
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Vorzugsweise
kann bei allen Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Bernoulli-Saugers die
dem Werkstück
zugewandte Seite des Blendenbodens (16, 26), der
als Anlage- und Stützfläche für das zu
handhabende Werkstück
(5) fungiert, anwendungsspezifisch ausgestaltet sein. Hierzu
zählen etwa
Beschichtungen, die chemische oder thermische Wechselwirkungen mit
dem Werkstück
unterbinden oder einen erhöhten
Reibwiderstand aufweisen und somit die Aufnahme höherer Querkräfte ermöglichen.