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Die Erfindung betrifft eine Saugvorrichtung, insbesondere einen Saugnapf, Saugheber oder Vakuumgreifer, zur reversiblen Haftung an einer Substratoberfläche nach dem Oberbegriff des ersten Schutzanspruchs.
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Saugnäpfe stellen auf nicht porösem Untergrund eine gute Möglichkeit dar um Objekte reversibel und ohne Beschädigung der Oberfläche zu befestigen. Sie besetzten somit eine andere Marktnische als mechanische Befestigungen, wie Schrauben, Nägel, Klammern oder Klebstoffe, welche eher für eine permanente Befestigung ausgelegt sind und meist die Objekte und/oder Oberflächen dauerhaft verändern (Klebstoffreste, Löcher, Kerben, Druckstellen etc.).
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Unter Wasser wird die Situation zusätzlich erschwert, da Unterwasserklebstoffe noch in der Entwicklung und schwer aufzubringen sind. Auch der Biofilmbewuchs erschwert eine Befestigung, da er zu einer zusätzlichen Struktur sowie oftmals auch glitschigen Oberflächen beiträgt.
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Systeme zur temporären Befestigung, wie Klebeband und Saugnäpfe, ermöglichen dagegen eine reversible Befestigung ohne Beschädigung der Substratoberfläche. Jedoch halten Klebstoffe im Vergleich zu Saugnäpfen nur Objekte mit sehr geringem Gewicht. Im Gegensatz dazu, können geeignete, qualitativ hochwertige Saugnäpfe auch Gegenstände mit größerem Gewicht (mehrere kg) halten. Herkömmliche technische Saugnäpfe benötigen jedoch in der Regel einen glatten (oder mit nur geringfügigen Oberflächenabweichungen) und ebenen (oder minimal gekrümmten) Untergrund, um zuverlässig zu funktionieren.
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In der Druckschrift
US 6143391 A wird ein einteiliger Saugnapf aus zwei Materialien beschrieben, welcher eine Innenfläche und einen dauerhaft mit der Innenfläche verbundenen äußeren Teil umfasst. Der innere und der äußere Teil sind aus unterschiedlichen elastischen Materialien geformt, wobei die Eigenschaften des Innenmaterials so gewählt sind, dass sie im Vergleich zum Außenmaterial Konformität, Nachgiebigkeit und Weichheit aufweisen. Eine Haftung an unebenen oder deutlich rauen Oberflächen kann jedoch mit diesem Saugnapf nicht gewährleistet werden.
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Die Druckschrift
WO 1997019272 A1 offenbart eine lösbare Befestigungsvorrichtung, die eine elastische Schicht oder Dichtung bzw. eine klebrige Haftmasse und einen Saugnapf umfasst, der mit der elastischen Schicht zusammenwirkt. Um die Widerstandsfähigkeit gegen Bewegung in Richtung parallel zur Oberfläche zu unterstützen, sind bei abgeflachtem Saugnapf, d.h. bei Aufbringung auf eine ebene Fläche, erhöhte Ringe in die elastische Dichtung eingebettet, welche direkt am Saugnapf ausgebildet sind. Eine individuelle Anpassung an große Oberflächenrauheiten ist nicht möglich.
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In der Druckschrift
WO 2013055111 A1 wird ein Vakuumextraktor beschrieben mit einer Stützkappe, die mit einem harten Kunstharz geformt ist; einer Saugscheibe mit einer Überzugsschicht, die mit einem Elastomer auf der oberen Oberfläche und der seitlichen Umfangsseite einer Platte zur Adsorption spritzgegossen ist, und einer Adsorptionsschicht, die mit einem Elastomer mit einer geringeren Härte als die der Überzugsschicht auf der seitlichen Umfangsseite überlappend spritzgegossen ist, und einem Teil der Überzugsschicht, der die untere Oberfläche der Platte zur Adsorption enthält, wobei die Saugscheibe elastisch verformt wird, so dass sie eng an der zu saugenden Oberfläche haftet.
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Inspiration zur Anhaftung an nicht nur geringfügig, sondern stark raue, wellige oder gewölbte Oberflächen kommt hiervon der Natur, von einem kleinen Fisch, dem Northern Clingfish, der sich hervorragend an die teilweise extrem rauen Steine im Gehzeitenbereich mit Hilfe seines Saugnapfes ansaugen kann.
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Auf den Erkenntnissen aufbauend beschreibt Druckschrift
US 8783634 A1 einen Saugnapf mit der Fähigkeit, an rauen Oberflächen zu haften, sowie ein Verfahren zur Befestigung des Saugnapfes an einer Zielfläche. Die Saugvorrichtung umfasst einen Körper mit einem Saugbereich und eine Vielzahl von Mikrohärchen, die von den Rändern des Saugbereichs abhängen und zu einer Erhöhung der Reibung als auch zur Abdichtung auf rauen Oberflächen beitragen. Bei der Umsetzung stellt sich allerdings heraus, dass es problematisch ist, Saugnäpfe mit Mikrohärchen in der notwendigen Dimension und der erforderlichen geringen Härte kosteneffektiv herzustellen.
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Aufgabe der hier präsentierten Erfindung ist es, eine Saugvorrichtung, insbesondere einen Saugnapf, Saugheber oder Vakuumgreifer, zur Verfügung zu stellen, welche eine zuverlässige Haftung auch an Substratoberflächen mit großer Rauigkeit, gewölbten Substratoberflächen auf trockenen, feuchten oder unter Wasser befindlichen Substratoberflächen ermöglicht. Bei der Saugvorrichtung handelt es sich insbesondere um einen Saugnapf oder Vakuumgreifer. In besonderen Fällen kann sich der Saugnapf dabei auch innerhalb eines Saughebers befinden. (Letzterer Fall ist im Folgenden soweit nicht explizit anders erwähnt unter Saugnapf gefasst.)
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des ersten Schutztanspruchs gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Saugvorrichtung, insbesondere der Saugnapf, Saugheber oder Vakuumgreifer, zur reversiblen Haftung an einer Substratoberfläche weist erfindungsgemäß einen ersten Bereich auf, der der Betätigung der Saugvorrichtung dient, und einen zweiten Bereich, der über eine Saugnapfoberfläche (dieser Begriff wird für den Saugnapf, den Saugheber und den Vakuumgreifer verwendet) mit der Substratoberfläche in Kontakt bringbar ist, wobei der erste Bereich aus wenigstens einem härteren elastischen ersten Material und der zweite Bereich aus einem in Bezug auf das erste Material weicheren zweiten Material besteht, wobei das zweite Material eine Härte von Shore 00 kleiner 50 (Shore A kleiner 10) aufweist.
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Bevorzugt weist der zweite Bereich eine höhere Dicke als der erste Bereich auf.
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Die Dicke des zweiten Bereiches sollte bei einer Saugvorrichtung in einem unbelasteten Zustand 1% bis 10% der größten sich zu der Ebene der Substratoberfläche erstreckenden Abmessung (je nach Gestaltung des Außendurchmessers oder einer Länge oder Breite, je nachdem ob der erste Bereich in der Draufsicht rund oder eckigig ausgeführt ist) des ersten Bereiches 3 betragen.
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Dabei wird die Dicke des zweiten Bereiches der Größe der Saugvorrichtung (des Saugnapfes, Saughebers oder Vakuumgreifers angepasst. Je größer der Durchmesser bzw. die Läge/ Breite des ersten Bereiches der Saugvorrichtung ist, umso größer kann auch die Dicke des zweiten Bereiches ausgeführt sein. Insbesondere betrifft dies die Dicke des zweiten Bereiches in dem Bereich, der im belasteten Zustand an der Substratoberfläche haftet.
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Bei der Betätigung der Saugvorrichtung (des Saugnapfes, Saughebers bzw. des Vakuumgreifers) wird zwischen dieser und der Substratoberfläche im Vergleich zum Umgebungsdruck ein Unterdruck erzeugt.
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Durch die Verwendung eines sehr weichen, hoch elastischen Materials für den zweiten Bereich wird vorteilhafterweise eine bessere Anpassung an Unebenheiten der Substratoberfläche ermöglicht.
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Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, dass das erste Material einen Elastizitätsmodul von wenigstens 7 MPa, bevorzugt wenigstens 8 MPa aufweist. Wenn der Saugnapf auch auf gewölbten Flächen haften soll ist ein Elastizitätsmodul im Bereich von 7 bis 10 MPa, insbesondere 8 MPa optimal.
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Für nicht gewölbte, aber raue Substrate, darf der Elastizitätsmodul des ersten Bereiches auch deutlich höher liegen, beispielsweise bis 15 MPa und ggf. auch darüber.
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Das zweite Material weist insbesondere eine Härte (Shorehärte) von maximal Shore 00-50, bevorzugt maximal Shore 00-30 auf.
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Wichtig ist im Falle eines Saugnapfes immer, dass der erste Bereich so elastisch ist, dass eine Rückstellung in eine unbelastete ursprüngliche Form möglich ist und angestrebt wird.
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Bevorzugt wird die Elastizität des ersten Bereiches so gewählt, dass eine gewisse Nachgiebigkeit und somit die Möglichkeit der Anpassung an gewölbte Substratoberflächen gewährleistet wird.
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Gleichzeitig ist es notwendig, den ersten Bereich ausreichend stabil auszubilden, um eine optimale Kraftübertragung auf den zweiten Bereich zu gewährleisten. Das erste Material sollte steif genug sein, um eine Kraftübertragung beim Befestigen des Saugnapfes auf der Substratoberfläche zu gewährleisten bzw. eine entgegen des Ablösens von der Substratoberfläche gerichtete Kraft (elastische oder Rückstellkraft, welcher den Saugeffekt/Unterdruck erzeugt) zu übertragen. Für Saugnäpfe, welche auf rauen und/oder welligen, jedoch nicht gewölbten Substratoberflächen eingesetzt werden sollen, darf der erste Bereich auch deutlich höhere E-Module erreichen.
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Bei industriellen Anwendungen, z.B. in Form von Vakuumgreifern, kann der erste Bereich auch aus wenig elastischen Material oder sogar Metall oder einem anderen festen bzw. nicht oder nur wenig elastischen Material bestehen und sehr viel dünner im Vergleich zum zweiten Bereich sein.
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Je weicher das zweite Material ist, desto besser lässt sich der zweite Bereich an raue bzw. unebene und/oder gekrümmte Substratoberflächen ansaugen.
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Der Elastizitätsmodul des zweiten Materials beträgt bevorzugt weniger als 0,8 MPa, besonders bevorzugt weniger oder gleich 0,2 MPa. Bei Versuchen hat sich ein Elastizitätsmodul von 0,2 MPa als praktikabel erwiesen.
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Insbesondere weist der zweite Bereich einen größeren Außendurchmesser auf als der erste Bereich. Dadurch wird vorteilhafterweise eine optimale Abdichtung des Kontaktbereiches zwischen der Substratoberfläche und dem zweiten Bereich des Saugnapfs oder Vakuumgreifers gewährleistet, da sich das Material des zweiten Bereiches an die Substratoberfläche anpasst.
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Der erste und der zweite Bereich können auch einen gleichen bzw. annähernd gleichen Außendurchmesser aufweisen.
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Die Substratoberfläche kann an einem Substrat, z.B. einem beliebigen Gegenstand oder Bauteil oder auch an biologischen Strukturen ausgebildet sein.
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Sowohl der erste, als auch der zweite Bereich können vollflächig ausgebildet sein.
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Es ist aber auch möglich, dass der erste Bereich vollflächig ausgebildet ist und der zweite Bereich sich ringförmig an einem Randbereich des ersten Bereiches erstreckt. In dem Bereich zwischen einer solchen durchgehenden Ringform und dem Mittelpunkt der Saugnapfgrundfläche kann der zweite Bereich bereichsweise unterbrochen sein.
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Ist der zweite Bereich nur ringförmig ausgebildet muss sich die Ringfläche zumindest über den Bereich erstrecken, in dem eine Haftung an die darunterliegende Substratoberfläche gewährleistet werden soll.
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Es ist weiterhin möglich, dass der zweite Bereich vollflächig ausgebildet ist und der erste Bereich über die Fläche bzw. den Durchmesser bzw. Radius des ersten Bereiches verteilt eine oder mehrere Unterbrechungen aufweist. Auf diese Art kann der erste Bereich beispielsweise sternförmig, gitterförmig oder in einer beliebigen Ausprägung ausgebildet sein, die eine ausreichende Kraftübertragung auf den zweiten Bereich gewährleistet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der zweite Bereich zumindest bereichsweise eine Dicke von 1 mm bis 5 mm bevorzugt mindestens 1,5 mm besonders bevorzugt mindestens 2,5 mm bis 3 mm auf.
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Die optimale Dicke des zweiten Bereiches hängt von der Größe des Saugnapfes ab, sie liegt in einem unbelasteten Zustand bei 1 % bis 10 % des Durchmessers oder einer Länge oder Breite des ersten Bereiches der Saugvorrichtung.
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Daher kann die Dicke des zweiten Bereiches in einigen Ausführungsformen auch weniger als 1 mm betragen.
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Besonders bevorzugt beträgt die Dicke des zweiten Bereiches im unbelasteten Zustand 3 % bis 8 % des Saugnapfdurchmessers oder eines Durchmessers bzw. einer Länge oder Breite des ersten Bereiches eines Vakuumgreifers.
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Mit zunehmender Dicke des zweiten Bereiches steigt dabei der tolerierte Grad an Oberflächenunregelmäßigkeiten, welche die anzuhaftende Oberfläche aufweisen kann um noch eine sichere und anhaltende Haftung der Saugvorrichtung (insbesondere des Saugnapfes, Saughebers oder Vakuumgreifers) an die Oberfläche zu gewährleisten.
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Auch die Fähigkeit an gewölbten Oberflächen zu haften erhöht sich mit der Dicke des zweiten Bereiches und ggf. mit dem Durchmesser des Saugnapfes und der Elastizität des ersten Bereichs.
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Bevorzugt besteht das wenigstens eine Material des zweiten Bereiches aus wenigstens einem Polymer und/oder wenigstens einem Elastomer oder einer Kombination aus jeweils einem oder mehreren Polymeren und/oder Elastomeren. Dabei kommen beispielsweise thermoplastische Elastomere, Kautschuk, Naturkautschuk oder Silikon infrage. Bevorzugt werden Silikon und Elastomere verwendet. Beispielsweise bei einer Variante wurde der zweite Bereich aus Platinum-katalysierten Silikonen hergestellt.
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Es besteht die Möglichkeit, dass sich das verwendete Material bzw. die Materialkombination auch über die Fläche des Saugnapfes, bevorzugt von außen nach innen ändert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind in das wenigstens eine zweite Material des zweiten Bereiches Partikel und/oder Fasern integriert, die härter bzw. sehr viel härter sind als das zweite Material.
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Vorteilhafterweise verbessern derartige Partikel und/oder Fasern die Reibungseigenschaften des Saugnapfes in Bezug zu der Substratoberfläche. Es kommt unter anderem zu einer Verzögerung des Einwärtsgleitens des Saugnapfrandes beim Ziehen der Saugvorrichtung (insbesondere des Saugnapfes bzw. Vakuumgreifers) in eine Richtung vertikal von der Substratoberfläche, an welcher der Saugnapf haftet. Dies führt schließlich zu höheren Haltekräften der Saugvorrichtung (insbesondere des Saugnapfes, Saughebers bzw. Vakuumgreifers). Die erhöhten Reibungseigenschaften erhöhen nicht nur die Befestigungskraft in Richtung senkrecht zur Substratoberfläche, sondern auch die Scherkräfte, die parallel zur Substratoberfläche wirkenden Kräften standhalten. In letzterem Fall wird der ganze Saugnapf/die Saugvorrichtung (bzw. die an der Substratoberfläche anhaftenden Bereiche) parallel zur Substratoberfläche gezogen.
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Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, dass die Partikel und/oder Fasern derart in das wenigstens eine zweite Material integriert sind, dass die Saugnapfoberfläche und die Partikel bei einer auf die Saugnapfoberfläche in Richtung zur Substratoberfläche wirkenden Kraft in Richtung zur Substratoberfläche gedrückt werden und sich an eine gekrümmte Kontur der Substratoberfläche anpressen und/oder in Ausnehmungen eines Rauheitsprofils der Substratoberfläche zumindest teilweise eingepresst werden.
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Bevorzugt ist die Saugnapfoberfläche des zweiten Bereiches, welche mit einer Substratoberfläche in Kontakt kommt, bei Nichtbelastung nahezu vollständig glatt, weist also nahezu keine Erhebungen auf. Die Saugnapfoberfläche des zweiten Bereiches ist idealerweise so glatt wie ungefähr Glas mit einer glatten Oberfläche ausgebildet (bevorzugt < 1 µm Rauheit). Vorteilhafterweise bleibt dadurch bei erhöhter Reibung die Abdichtung des Saugnapfes auf glatten bis rauen Substratoberflächen erhalten.
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Da das Material des zweiten Bereiches aber extrem weich ist, sind auch gewisse Rauheiten der Saugnapfoberfläche des zweiten Bereiches tolerierbar.
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Wenn eine in Richtung zur Substratoberfläche wirkende Druckbelastung bei angesaugter Saugvorrichtung erfolgt, werden die Partikel und/oder Fasern innerhalb des zweiten Bereiches in Richtung zur Substratoberfläche gedrückt. Auf diese Art können sie sich an eine gekrümmte Kontur und/oder an ein Rauheitsprofil der Substratoberfläche anpassen. Die Reibungserhöhung wirkt somit nur unter Druck. Der Druck wird am Rand des Saugnapfes durch den ersten Bereich des Saugnapfes aufgebaut bzw. erzeugt. Der Bereich des Saugnapfrandes, der mit der Substratoberfläche in Kontakt steht, kann jedoch sehr breit sein.
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Wichtig ist, dass bei einer Saugvorrichtung in Form eines Saugnapfes der obere Teil des Saugnapfes, also der erste Bereich, eine hohe Rückstellkraft aufweist, damit er einen starken Druck entwickelt.
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Ist der Saugnapf Bestandteil eines Saughebers so kann der Unterdruck alternativ auch durch mechanisches Anheben des ersten Bereiches erzeugt werden. Einige Saugheber sind dabei mit einer Vakuumpumpe ausgestattet, die manuell betätigt wird und durch welche der Unterdruck erzeugt wird.
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Der zweite Bereich der Saugvorrichtung enthält vorteilhafterweise Partikel und/oder Fasern aus einem harten Material. Wenn bei einer an die Substratoberfläche angesaugten Saugvorrichtung der zweite Bereich unter Anpressdruck steht, drücken die Partikel/Fasern auf bzw. in die Substratoberfläche. Letzteres erhöht die Reibung zwischen dem zweiten Bereich und der Substratoberfläche und erhöht damit die Haltekraft der gesamten Saugvorrichtung in Form des Saugnapfes, Saughebers oder Vakuumgreifers, der somit ein höheres Gewicht halten kann.
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Im Fall eines Vakuumgreifers kann der Druck anstelle durch die Rückstellkraft des ersten Bereiches auch durch das Anlegen eines Vakuums (durch Vakuumpumpe) erzeugt werden.
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Als Partikel können dabei sowohl Partikel im herkömmlichen Sinne und/oder auch Fasern, Faserbruchstücke oder Flächengebilde verwendet werden.
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Es ist auch möglich, in der ersten Schicht Erhöhungen / bzw. eine Struktur auszubilden, die in die zweite Schicht hinein ragen/ragt und dann die gleiche Funktion ausüben wie die Partikel in der zweiten Schicht, die also bei Druckausübung gegen die Substratoberfläche gedrückt werden.
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Besonders bevorzugt werden harte oder sehr harte Partikel und/oder Fasern aus Glas, Stein (Basalt), Sand, Keramik, Metall, Harze, Korund, bzw. Diamantpartikel und dergleichen einzeln oder in Kombinationen verwendet.
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Dabei werden bei raueren Substratoberflächen vorzugsweise größere Partikel und/oder Fasern und bei Substratoberflächen mit einer geringeren Rauheit kleinere Partikel und/oder Fasern verwendet.
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Bevorzugt weisen die Partikel und/oder Fasern einen Durchmesser von 40 % bis 70 % der Größe der Zwischenräume des Rauheitsprofils der Substratoberfläche auf.
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Insbesondere weisen die Partikel einen Durchmesser von etwa 60 % der Größe der Zwischenräume der zu haftenden Oberfläche auf.
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Meist erreicht man mit Partikeln von 10 µm bis 200 µm Durchmesser recht gute Ergebnisse. Fasern einer Stärke von 5 µm bis 30 µm und 0,1 mm bis 1 mm sind ebenfalls auf den meisten rauen Substratoberflächen einsetzbar. Es können nur Mikrokugeln, nur Fasern oder auch Gemische von verschiedenen Größen und Formen eingesetzt werden, zum Beispiel für Substrate, mit unterschiedlichen Korngrößen und Rautiefen sowie zur Abdeckung von zuvor nicht bekannten Oberflächen.
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Ist beispielsweise für spezielle Anwendungen die Substratoberfläche bekannt, kann man auch durch einige Vorversuche mit verschiedenen Materialien des ersten und/oder zweiten Bereiches und/oder Partikeln/Fasern, der Saugvorrichtung die am besten geeignete Materialkonfiguration für diesen Anwendungsfall ermitteln.
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Neben der Partikelgröße kann auch die Partikelform an die jeweilige Substratoberfläche angepasst werden und es können unterschiedliche Partikelformen und/oder Größen in den zweiten Bereich integriert sein.
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Vorzugsweise ist der zweite Bereich lösbar an dem ersten Bereich befestigt. Dadurch kann der zweite Bereich, der sich bei bestimmten Anwendungen schneller abnutzt, separat gefertigt und bei Bedarf ausgetauscht werden. Ebenso ist eine individuelle Anpassung des zweiten Bereiches an verschiedene Substratoberflächen möglich.
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Der zweite Bereich kann auch an den ersten Bereich geklebt und/oder durch ein Vakuum an dem ersten Bereich befestigt sein. Auch eine mechanische Verbindung, beispielsweise durch ineinandergreifende Verbindungselemente, ist denkbar.
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Es ist alternativ möglich, die Saugvorrichtung (den Saugnapf oder Vakuumgreifer) einteilig auszubilden oder den zweiten Bereich unlösbar mit dem ersten Bereich zu verbinden.
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Die Saugvorrichtung (Saugnapf oder Vakuumgreifer) kann beispielsweise durch 3D-Druck, Abformungsverfahren oder durch ein Zwei-Komponenten-Spritzgießverfahren gefertigt werden. Alternativ werden der erste und der zweite Bereich separat gefertigt und anschließend miteinander lösbar oder unlösbar verbunden.
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Es ist auch eine Verfahrenskombination der vorgenannten Verfahren möglich.
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Die Saugvorrichtung (Saugnapf oder Vakuumgreifer) weist bevorzugt einen Durchmesser im Bereich von 20 mm bis 25 cm auf. Aber je nach Einsatzfall sind auch deutlich kleinere und deutlich größere Durchmesser denkbar.
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Der Durchmesser der Saugvorrichtung (des Saugnapfes oder Vakuumgreifers) sollte dabei auch der Form und Größe des Substrats bzw. des zu haltenden Objektes angepasst sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das wenigstens eine zweite Material ein quellfähiges Material und/oder beinhaltet quellfähige Partikel und/oder ist der zweite Bereich an der Saugnapfoberfläche mit einem quellfähigen Material beschichtet.
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Vorteilhafterweise können durch das quellfähige Material kleinere Lücken zwischen Saugnapf bzw. Vakuumgreifer und Substratoberfläche geschlossen werden. Dadurch wird beispielsweise die Abdichtung für Langzeitanwendungen auf schwierigen Untergründen, unter Wasser (wie z.B. in Gewässern, im Teich, im Schwimmbad) oder in nasser Umgebung (wie z.B. in Nassräumen) verbessert. Ein geeignetes quellfähiges Material ist beispielsweise Hydrogel.
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Quellprodukte auf Kautschukbasis und aus Acrylatpolymere sind denkbar sowie sonstige andere quellfähige Materialien.
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Der Saugnapf weist bevorzugt ein Anschluss- oder Griffelement und/oder bei Einsatz als Vakuumgreifer einen Anschluss für eine Vakuumpumpe auf, über den ein Vakuum zwischen der Saugnapfoberfläche und einer zu kontaktierenden Substratoberfläche herstellbar ist.
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Das Anschluss- oder Griffelement und/oder der Anschluss für eine Vakuumpumpe sind vorzugsweise am ersten Bereich und besonders bevorzugt auf der dem zweiten Bereich gegenüberliegenden Seite des ersten Bereiches angeordnet.
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Das Anschluss- oder Griffelement dient der Befestigung von Objekten am Saugnapf. Das Anschluss- oder Griffelement kann ein oder mehrere Schraubgewinde, Haken, Ösen oder sonstige geeignete Befestigungselemente aufweisen oder in Form eines Hakens, einer Öse und dergleichen ausgebildet sein.
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Wenn ein Anschluss für eine Vakuumpumpe vorgesehen ist, kann der Saugnapf als Greifer/Vakuumgreifer beispielsweise in Fertigungsanlagen bzw. industrielle oder andere spezielle Anwendungen eingesetzt werden.
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Da der zweite Bereich insbesondere bei industriellen Anwendungen schneller verschleißt als der erste Bereich, ist dieser bevorzugt austauschbar an dem ersten Bereich befestigbar.
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Die erfindungsgemäße Saugvorrichtung weist vorteilhafterweise im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen eine deutlich verbesserte Haftung an rauen, strukturierten und/oder gewölbten Oberflächen, sowie an feuchten Oberflächen und Oberflächen im Nassbereich auf. Durch die Kombination verschiedener erster und zweiter Bereiche kann eine Anpassung/Optimierung an unterschiedliche Anforderungen in Bezug auf unterschiedliche Substratoberflächen ermöglicht werden. Vorteilhafterweise haftet die erfindungsgemäße Saugvorrichtung darüber hinaus effizient an gewölbten Oberflächen.
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Bei der präsentierten Erfindung handelt es sich dabei um eine weitere bionische Umsetzung des Clingfish-Saugnapf-Prinzips mit extrem guter Abdichtung auf rauen und/oder gekrümmten Oberflächen und der Ausnutzung erhöhter Reibung.
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Die erfindungsgemäße Saugvorrichtung haftet auf Substratoberflächen wie technischen Oberflächen und auch auf natürlichen Oberflächen von beispielsweise Felsen oder sogar einigen Lebewesen oder auch Steinen bzw. Mineralien.
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Die Substrate sollten dabei dicht bzw. undurchlässig für Fluide sein.
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Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich, beispielsweise unter Wasser technische Elemente an Substratoberflächen zu befestigen, beispielsweise an Schiffsrümpfen, in Schwimmbecken, Teichen, Flussläufen oder auch an Wassertieren, um diese beispielsweise zu markieren.
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Es sind aber auch technische Anwendungen im industriellen Bereich möglich. Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Lösung in Montage- oder Fertigungsanlagen oder anderen Bereichen als Vakuumgreifer verwendet werden.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der erfindungsgemäße Vakuumgreifer zum Ansaugen an eine strukturierte Substratoberfläche eine bessere Abdichtung erzeugt, welche zu geringeren Unterdruckverlusten führt. Dadurch wird Energie eingespart, welche sonst für das aktive Erneuern des Unterdruckes aufgewendet werden müsste. Dadurch ist es möglich einen umweltfreundlicheren, energiesparenden Vakuumsauger bereitzustellen.
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Auch für Anwendungen im Haushalt und im Handwerker- bzw. Heimwerkerbereich ergeben sich vielfältige Möglichkeiten. Besonders interessant erscheint beispielsweise der Einsatz eines erfindungsgemäßen Saugnapfes an unebenen Fliesen in Bad und Küche oder die Verbindung von Bauelementen, deren Oberflächen nicht beschädigt werden dürfen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert, ohne dabei auf diese beschränkt zu sein.
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Dabei zeigen:
- 1: einen Querschnitt durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Saugnapfes, welcher auf eine Substratoberfläche aufgesetzt wurde;
- 2: einen Querschnitt eines Saugnapfes gemäß 1, der an die Substratoberfläche angepresst wurde;
- 3: eine Einzelheit X gemäß 2,
- 4: einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung mit einem Vakuumanschluss;
- 5: eine Draufsicht auf eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Saugnapfes mit einem vollflächigen ersten Bereich;
- 6: eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Saugnapfes mit einem gitterförmigen ersten Bereich;
- 7: eine Draufsicht auf noch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Saugnapfes mit einem sternförmigen ersten Bereich; und
- 8: eine Draufsicht auf noch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Saugnapfes mit einem alternativ geformten ersten Bereich,
- 9 die Prinzipdarstellung eines Vakuumsaugers mit einem ersten Bereich aus einem harten Material, wie z.B. Stahl oder Aluminium in der Draufsicht,
- 10 Vakuumsauger gem. 9 in der Schnittdarstellung als Prinzipskizze.
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In 1 ist ein Querschnitt durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Saugnapfes 1, welcher auf eine Substratoberfläche 2 aufgelegt wurde, dargestellt. Der Saugnapf 1 weist einen ersten Bereich 3 mit einer Dicke d1 und einen zweiten Bereich 4 mit einer Dicke d2 auf. Der erste Bereich 3 ist aus einem ersten Material ausgebildet. Der zweite Bereich 4 ist aus einem zweiten Material ausgebildet, welches sehr viel weicher ist als das erste Material des ersten Bereiches 3. Der zweite Bereich 4 ist lösbar oder unlösbar mit dem ersten Bereich 3 verbunden oder mit diesem einteilig ausgebildet. Sowohl der erste Bereich 3, als auch der zweite Bereich 4 sind vollflächig ausgebildet. Der Außendurchmesser D1 des ersten Bereiches 3 ist kleiner als der Außendurchmesser D2 des zweiten Bereiches 4.
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Eine Saugnapfoberfläche 5 gelangt bei Auflage des Saugnapfes 1 auf die Substratoberfläche 2 eines Substrats bzw. Bauteils/Gegenstandes mit dieser Substratoberfläche 2 in Kontakt.
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In das zweite Material des zweiten Bereiches 4 sind Partikel 6 eingebettet. Diese werden bei Druckeinwirkung in Richtung zur Substratoberfläche 2, beispielsweise durch Drücken auf ein Anschluss- oder Griffelement 7 des Saugnapfes 1 in Richtung zur Substratoberfläche 2, durch den mit dem vergleichsweise weichen zweiten Bereich 4 gegen die Saugnapfoberfläche 5 und somit gegen die Substratoberfläche 2 gedrückt, wo sie sich in Ausnehmungen und/oder Vertiefungen der Substratoberfläche 2 anordnen können bzw. zumindest teilweise in die Ausnehmungen/Vertiefungen eingreifen und somit eine Reibungserhöhung zwischen der Saugnapfoberfläche 5 und der Substratoberfläche 2 herbeiführen. (Siehe auch 3).
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Durch das Drücken des zweiten Bereiches 4 in Richtung zur Substratoberfläche 2 wird gleichzeitig auch das Fluid zwischen dem Hohlraum bzw. Innenraum des Saugnapfes 1 und der Substratoberfläche 2 zumindest teilweise herausgedrückt und dadurch ein Unterdruck zum Umgebungsdruck erzeugt, wodurch der Saugnapf 1 nach dem Lösen des Druckes/der Kraft auf den ersten Bereich 3 an der Substratoberfläche 2 haftet. Dies funktioniert bei Fluiden in Form von gasförmigen Medien (z. B. in Luft) und auch bei flüssigen Medien (z. B. in Wasser).
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Als nicht beschränkendes Ausführungsbeispiel sei ein Saugnapf 1 mit einem Durchmesser (entspricht dem Außendurchmesser D1 des ersten Bereiches 3) von etwa 50 mm bis 70 mm, bevorzugt 65 mm genannt, dessen zweiter Bereich 4 eine Dicke d2 von 1 mm bis 5 mm, bevorzugt 2 mm bis 3 mm aufweist. Das erste Material des ersten Bereiches 3 weist ein Elastizitätsmodul von 5 bis 9, bevorzugt 8 MPa auf, während das zweite Material des zweiten Bereiches 4 eine Härte von Shore 00 - 10 bis Shore 00-30 (< Shore A 10) insbesondere einen Elastizitätsmodul (Youngs Modulus) von 0,1 MPa bis 0,5 MPa bevorzugt 0,2 MPa aufweist.
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Ein solcher exemplarischer Saugnapf kann sich sehr gut an Substratoberflächen 2 mit sehr großer Rauigkeit, wie z.B. Substratoberflächen mit Rt (Rautiefe) bis zu 1 mm bis 2 mm und größer oder einer Korngröße von 1 mm bis 2 mm oder Unterschieden von 1 mm bis 2 mm in der Strukturhöhe der Substratoberfläche 2, anlagern. Ein solcher Saugnapf 1 kann auch effektiv an Substratoberflächen 2 mit einem Krümmungsradius von 2,5 cm bis 4 cm oder weniger bzw. auch mehr haften. Dazu wird der Saugnapf 1 mit einer Anpresskraft F1 (siehe 1) in Richtung zur Substratoberfläche 2 gepresst. Da der Saugnapf 1 von der Substratoberfläche 2 weg konvex gewölbt ist, wird der zwischen Saugnapfoberfläche 5 und Substratoberfläche 2 des Substrates gebildete Hohlraum reduziert und im Vergleich zum Umgebungsdruck ein Unterdruck erzeugt.
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2 zeigt einen Querschnitt durch dieselbe Ausführungsform des erfindungsgemäßen Saugnapfes 1 (gem. 1), der an die Substratoberfläche 2 angepresst wurde und daran haftet. Es ist erkennbar, dass sowohl der erste Bereich 3, als auch der zweite Bereich 4 elastisch nachgeben und der Saugnapf 1 mit der Saugnapfoberfläche 5 an die Substratoberfläche 2 gedrückt wird und sich der zweite Bereich 4 mit einem breiten Randbereich an die Substratoberfläche 2 anlegt hat. Die in das Material des zweiten Bereiches 4 integrierten Partikel 6 sind sehr viel härter als das Material des zweiten Bereiches 4 und werden durch den vergleichsweise weichen zweiten Bereich 4 gegen die Substratoberfläche 2 gedrückt, wo sie in Ausnehmungen und/oder Vertiefungen der Substratoberfläche 2 zumindest teilweise eingedrückt werden (Siehe 3) und somit eine Reibungserhöhung herbeiführen.
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Wird eine vertikal zur Substratoberfläche 2 gerichtete Abzugskraft F2 auf das Anschluss- oder Griffelement 7 ausgeübt, so wird der Randbereich des ersten Bereiches 3 durch seine Rückstellkraft (sowie den gegebenenfalls zunehmenden Unterdruck) noch stärker gegen die Substratoberfläche 2 mit einer Gegenkraft FG gedrückt und dadurch die Reibung zwischen der Saugnapfoberfläche 5 und der Substratoberfläche 2 erhöht.
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Erst wenn die Kraft F2 so groß wird, dass die Reibkraft zwischen Saugnapfoberfläche 5 und der Substratoberfläche 2 überschritten wird, löst sich der Saugnapf 1 von der Substratoberfläche 2.
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Es besteht auch die Möglichkeit zum Lösen des Saugnapfes dessen Randbereich zumindest bereichsweise anzuheben, so dass dadurch ein Druckausgleich zum Umgebungsdruck erfolgen kann.
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In 3 wird anhand der vergrößerten Einzelheit X gezeigt, wie Partikel 5 in die Ausnehmungen der Substratoberfläche 2 eingedrungen sind, wodurch die Reibung zwischen der Substratoberfläche 2 und der hier nicht bezeichneten Saugnapfoberfläche an dem zweiten Bereich 4, der sich unter dem ersten Bereich 3 befindet, erhöht wird.
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Ist das Anschlusselement 7 zur Erzeugung eines Vakuums ausgebildet führt durch dieses und durch den ersten und zweiten Bereich eine Öffnung, was hier in 1 und 2 nicht dargestellt ist.
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In 4 ist ein Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung in Form eines Vakuumgreifers 1V, welcher auf eine Substratoberfläche 2 aufgelegt wurde und einen Vakuumanschluss 7.1 aufweist, dargestellt. In dieser Ausführungsform ist der zweite Bereich 4 nicht vollflächig, sondern ringförmig ausgebildet. Er erstreckt sich bei dieser Variante auch nicht umfangsseitig über den umfangsseitigen Randbereich des ersten Bereiches 3, was jedoch auch möglich wäre. In beiden Fällen wird eine optimale Abdichtung des Kontaktbereiches zwischen der Substratoberfläche 2, an die der Saugnapf 1 gehaftet werden soll und dem zweiten Bereich 4 gewährleistet. Der Saugnapf 1 ist im Bereich des Vakuumanschlusses 7.1 mit einem Durchbruch 1.1 versehen, so dass Luft abgesaugt und zugeführt werden kann. Der erste Bereich d3 weist eine dicke d1 auf und der zweite Bereich 4 eine Dicke d2. Die Dicke d2 des zweiten Bereiches 4 ist hier nur geringfügig größer als die Dicke d1 des ersten Bereiches d1.
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Nach dem Auflegen Vakuumgreifers 1V auf die Substratoberfläche 2 wird dann die Luft aus dem Raum zwischen der Substratoberfläche 2 und der Saugnapfoberfläche 5 gesaugt, wodurch sich der Vakuumgreifer 1V mit seiner Saugnapfoberfläche 5 an der Substratoberfläche 2 ansaugt bzw. anpresst und fest daran haftet (nicht dargestellt). Zum Lösen wird über den Vakuumanschluss 7.1 wieder Luft zugeführt, wodurch die Haftung zwischen der Saugnapfoberfläche 5 und der Substratoberfläche 2 gelöst wird.
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Eine Draufsicht auf eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Saugnapfes 1 mit einem vollflächigen ersten Bereich 3 ist in 5 dargestellt. Es ist ebenfalls möglich, dass der erste Bereich 3, wie in 6 angedeutet, zwischen dem Anschluss- oder Griffelement 7 und dem Randbereich des Saugnapfes 1 gitterförmig oder, wie in 7 dargestellt, sternförmig verläuft.
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Auch andere Formen des ersten Bereiches 3, wie beispielhaft in 8 dargestellt, sind denkbar, insofern sie eine gleichmäßige Druckübertragung auf den zweiten Bereich 4 gewährleisten.
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In den 9 und 10 wird für industrielle Anwendungen ein Vakuumgreifer 1V gezeigt, der eine im Wesentlichen in der Draufsicht viereckige Grundform mit einer Länge L und einer Breite B des ersten Bereiches 3 aufweist.
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Der erste Bereich 3 ist im Wesentlichen starr und gehäuseartig mit einer geringen Dicke d1 ausgeführt und weist in Richtung zum zweiten Bereich 4 einen nach außen weisenden Flansch 3.1 auf. Der erste Bereich 3 kann beispielsweise aus Metall wie Stahl oder Aluminium oder auch aus einem harten Kunststoff oder einer Kombination der vorgenannten Materialien bestehen. Unter dem Flansch 3.1 sitzt der zweite Bereich 4, der in der Art eines umlaufenden Streifens ausgebildet ist, der dem Verlauf des Flansches 3.1 folgt und der eine Dicke d2 aufweist.
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Bei der hier dargestellten Variante ragt der zweite Bereich 4 nach innen und außen über den Flansch 3.1.
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Gemäß einer nicht dargestellten Variante kann der zweite Bereich 4 auch nur nach innen oder außen über den Flansch 3.1 überstehen oder auch mit diesem abschließen.
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Der zweite Bereich 4 weist ebenfalls Partikel 6 und/oder Fasern auf (die hier nicht bezeichnet sind) und liegt mit seiner Saugnapfoberfläche 5 auf der Substratoberfläche 2 eines Substrates S auf. Der erste Bereich 3 weist einen Durchbruch 1.1 auf, an den sich ein Anschluss 7.1 für einen nicht dargestellten Vakuumschlauch anschließt, der mit einer Vakuumpumpe verbunden ist.
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Wenn die Saugnapfoberfläche 5 auf der Substratoberfläche 2 aufliegt wird über die Vakuumpumpe in dem Raum zwischen dem Vakuumgreifer 1V und der Substratoberfläche 2 Luft abgesaugt, wodurch im Vergleich zum Umgebungsdruck ein Unterdruck erzeugt wird und der Vakuumgreifer 1V mit seinen zweiten Bereich 4, auf welchen der Flansch 3.1 des ersten Bereiches 3 wirkt, gegen die Substratoberfläche 2 gepresst wird.
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Das an dem Vakuumgreifer 1V befestigte Substrat S kann nun mittels des Vakuumgreifers 1V (an dem auch ein oder mehrere nicht dargestellte weitere Handhabungselemente vorgesehen sein können) angehoben und entsprechend der Montage- bzw. Fertigungsaufgabe bewegt und wieder abgelegt werden. Dann wird der Vakuumgreifer 1V (bzw. Vakuumglocke) durch Angleichung des Drucks in seinem Innenraum mit dem Umgebungsdruck oder durch einen leichten Überdruck von der Substratoberfläche 2 entfernt.
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Der zweite Bereich 4 ist bevorzugt lösbar und luftdicht mit dem ersten Bereich 3 verbunden und kann dadurch bei Verschleiß oder bei einer anderen Substratoberfläche gewechselt werden.
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Die Dicke d2 des zweiten Bereiches 4 sollte bei der Saugvorrichtung (insbesondere einem Saugnapf oder Vakuumgreifer) in einem unbelasteten Zustand 1 % bis 10 % der größten sich in der Ebene der Substratoberfläche 2 erstreckenden Abmessung (je nach Gestaltung des Außendurchmessers D1 oder einer Länge L oder Breite B) des ersten Bereiches 3 betragen.
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Bei Vakuumgreifern, die einen sehr großen Durchmesser bzw. eine sehr große Länge oder Breite aufweisen, kann die Dicke d2 des zweiten Bereiches auch weniger als 1 % von D1, L oder B betragen.
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Gemäß eines nicht dargestellten Ausführungsbeispiels können die Partikel/Fasern in der zweiten Schicht/in dem zweiten Bereich auch nicht über den gesamten Querschnitt des zweiten Bereiches verteilt sein, sondern sich in dem Material des zweiten Bereiches auch nur in Richtung zur Saugnapfoberfläche befinden.
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Weiterhin ist es gemäß einer nicht dargestellten Variante möglich, den sehr weichen/elastischen zweiten Bereich ohne Fasern/Partikel auszuführen und mit einer dünnen ebenfalls elastischen sehr weichen weiteren Schicht zu beschichten, welche die Partikel/Fasern enthält.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Saugnapf
- 1V
- Vakuumgreifer
- 1.1
- Durchbruch
- 2
- Substratoberfläche
- 3
- Erster Bereich
- 3.1
- Flansch
- 4
- Zweiter Bereich
- 5
- Saugnapfoberfläche
- 6
- Partikel
- 7
- Anschluss- oder Griffelement
- 7.1
- Vakuumanschluss
- B
- Breite
- D1
- Außendurchmesser des ersten Bereiches
- D2
- Außendurchmesser des zweiten Bereiches
- d1
- dicke des ersten Bereiches
- d2
- Dicke des zweiten Bereiches
- F1
- Anpresskraft
- F2
- Abzugskraft
- FG
- Gegenkraft
- L
- Länge
- S
- Substrat
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6143391 A [0005]
- WO 1997019272 A1 [0006]
- WO 2013055111 A1 [0007]
- US 8783634 A1 [0009]
