DE4022487A1 - Aerostatic bearing base - comprises alternating layers of ceramic plates and film with breaks in film to give air feed and form air jets - Google Patents

Aerostatic bearing base - comprises alternating layers of ceramic plates and film with breaks in film to give air feed and form air jets

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Abstract

The basic body of a linear guide for an aerostatic bearing and the like, with connections for compressed air feed and distribution and air jets, composed of alternating layers of ceramic plates (1), film (2) and a ceramic closure (3). Breaks are formed in the film layers (2) for the air feed to give the contours for the air jets. An air distribution channel (4) is in each ceramic plate (1). ADVANTAGE - The assembly is a precision unit, with high resistance to wear, is free of magnetism and is unaffected by temp. The assembly is simple to produce.

Description

Die Erfindung betrifft einen Grundkörper einer linearen Längsführung bzw. eines aerostatischen Lagers in Produkten der Feinwerktechnik sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.The invention relates to a basic body of a linear longitudinal guide or an aerostatic bearing in precision engineering products and a process for its manufacture.

Bekannt sind eine Vielzahl verschiedenartiger Linearführungen, die auf Wälzelementkonfigurationen beruhen. Dabei ist sowohl die Konzipierung einer einzelnen Führung als auch von Kreuztischen in Ein- und Mehrebenenanordnung bekannt (z. B. DD WP 2 48 079). Ebenso sind Linearführungseinheiten auf Basis von Kugelumlaufspindeln eingeführt, wie z. B. im EP 03 40 751 angegeben. Dabei wird am Boden eines U-förmigen Führungsgehäuses eine Führungsschiene angeordnet, auf der sich ein Läufer mittels endloser Kugelumläufe bewegt.A large number of different types of linear guides are known, based on rolling element configurations. It is both the Design of a single tour as well as cross tables in Single and multi-level arrangement known (e.g. DD WP 2 48 079). As well are linear guide units based on ball screws introduced such. B. specified in EP 03 40 751. Doing so is on the ground a guide rail of a U-shaped guide housing, on which a runner moves by means of endless ball revolutions.

Nachteilig bei diesen Anordnungen ist der hohe technische Aufwand an eine Reihe von mechanischen Bauelementen, insbesondere wenn Präzisionsführungen angestrebt werden. Außerdem tritt zumindest im Moment des Anlaufs bis zur Schaffung einer Misch- bzw- Flüssigkeitsreibung ein Verschleiß ein, der trotz verschleißarmer ausgewählter Legierungen die Lebensdauer begrenzt. Die Schmierstoffe verhindern zusätzlich bestimmte Einsatzfälle, z. B. bei extremen Umweltbedingungen.The disadvantage of these arrangements is the high technical outlay to a number of mechanical components, especially if Precision guides are aimed for. Besides, at least occurs at the moment of start-up until a mixed or liquid friction is created a wear that despite low wear selected alloys limits the service life. The lubricants also prevent certain applications, e.g. B. at extreme environmental conditions.

Linearführungen auf Basis von gasstatischen Lagerungen, wie z. B. in der US PS 46 06 587 angegeben, vermeiden bereits eine Reihe der o. g. prinzipiellen Nachteile. Vor allem sind die Reibungsarmut und Verschleißfreiheit aerostatischer Führungen und Lagerungen hervorzuheben.Linear guides based on gas-static bearings, such as B. specified in US PS 46 06 587, already avoid a number of o. g. principal disadvantages. Above all, the low friction and To emphasize the freedom from wear of aerostatic guides and bearings.

Ein bisher nur unter Schwierigkeiten bzw. unvollkommen gelöstes Problem stellt allerding die Herstellung und Montage der Luftdüsen dar. Diese Luftdüsen müssen sehr genau und gleichmäßig ausgebildet und verteilt sein, um die notwendige Lagersteife bei allen Belastungen an jeder Stelle zu gewährleisten. Lage- und Geometrieabweichungen führen zu einem unsymmetrischen Aufbau des Druckmediums wodurch z. B. Schwingungserscheinungen auftreten können.So far, this has only been solved with difficulty or incompletely The problem, however, is the manufacture and assembly of the air nozzles These air jets must be very precise and even be trained and distributed to provide the necessary bearing stiffness to ensure all loads at every point. Location and Geometric deviations lead to an asymmetrical structure of the Print medium whereby z. B. vibration phenomena occur can.

Die Herstellung von Minidüsen in Größenordnungen unter 150 µm Durchmesser ist bei harten Werkstoffen problematisch. Somit können auf die Lagerfläche nur relativ wenige Luftdüsen verteilt werden, und die Gleichmäßigkeit des Luftpolsters ist unzureichend.The production of mini nozzles in sizes below 150 µm Diameter is problematic with hard materials. So you can only relatively few air nozzles distributed over the bearing surface and the uniformity of the air cushion is insufficient.

Auch die als Alternative vorgeschlagene Lösung im WP DD 2 44 791, bei dem eine Mikrorille auf der Achse die gleichmäßige Luftverteilung und Drosselung bewirken soll, vermeidet den Nachteil einer aufwendigen Fertigung nicht.The solution proposed as an alternative in WP DD 2 44 791, where a micro groove on the axis ensures even air distribution and throttling should avoid the disadvantage complex manufacturing is not.

Ein deutlicher Fortschritt für spezielle Anwendungen stellt die Anwendung poröser Werkstoffe als Trägerbauteile dar. Hierbei bilden sich Mikrodüsen, statistisch verteilt, die ein gleichmäßiges Luftpolster bewirken. Damit entfällt die Notwendigkeit einzelner Elementardüsen. Als Werkstoff wird im allgemeinen Graphit eingesetzt, welcher natürlich auf Grund seiner geringen Härte faktisch keinerlei Notlaufeigenschaften aufweist. Abrieb kann sehr unliebsame Folgen haben.The. Represents a significant advance for special applications Use of porous materials as support components form micro-nozzles, statistically distributed, which are uniform Cause air cushion. This eliminates the need for individuals Elementary nozzles. Graphite is generally used as the material  used, which of course due to its low hardness actually has no emergency running properties. Abrasion can very unpleasant consequences.

Demgegenüber ist in der DE OS 34 39 648 ein Kalottenlager angegeben, bei welchem Mikrodüsen mit einem komplizierten Verdichtungs- und Sintervorgang aus einer speziellen Bronze erzeugt werden. Die Lagerschale wird durch Einkorn-Diamantbearbeitung auf einer Präzisionsmaschine hergestellt. Diese aufwendigen Prozesse erfordern entsprechend aufwendige Anlagen und Maschinen. Bei bestimmten Anwendungsfällen ist Bronze ungeeignet, beispielsweise in der Nähe elektrischer Felder oder in agressiven Medien. Eine gezielte Anordnung und Geometriebeeinflussung der Mikrodüsen ist ausgeschlossen. Für Führungen ist das Prinzip wegen nicht beherrschbarer Verdichtungstechnik längerer, ebener Teile bisher nicht einsetzbar.In contrast, a spherical bearing is specified in DE OS 34 39 648, in which micro nozzles with a complicated compression and sintering process can be created from a special bronze. The Bearing shell is machined on a single grain diamond Precision machine manufactured. These complex processes require correspondingly complex systems and machines. With certain Bronze is unsuitable for use cases, for example in the Near electrical fields or in aggressive media. A targeted one The arrangement and influence of the geometry of the micro nozzles is excluded. The principle is not more manageable for guided tours Compression technology for longer, flat parts has not been used so far applicable.

Die Vorteile keramischer Werkstoffe sind bei einer Vielzahl von Anwendungsgebieten ausgeprägt. So sind auch Versuche bekanntgeworden, Lagerstellen und Führungsbahnen aus Aluminiumoxidkeramik in hochgenauen Meß- und Werkzeugmaschinen einzuführen (WOBKER, H.-G.: Keramik in Japan - Vorstoß in den Maschinenbau, MAGAZIN FÜR NEUE WERKSTOFFE (1988) 1, 19-22).The advantages of ceramic materials are numerous Marked areas of application. Experiments have also become known, Bearings and guideways made of aluminum oxide ceramic to be introduced in high-precision measuring and machine tools (WOBKER, H.-G .: Ceramics in Japan - advance into mechanical engineering, MAGAZINE FOR NEW MATERIALS (1988) 1, 19-22).

Um eine Vielzahl von Mikrodüsen zu schaffen, wird eine poröse, grobkörnige Keramik als Zwischenschicht verwendet, durch die die Luft hindurchgeführt wird. Nachteilig erscheint der zweifellos lockere Zusammenhalt der durch Sintern verbundenen Keramikpartikel. Bei einem Herausbrechen, selbst einzelner Körner, kann eine Zerstörung der Führungsbahn bzw. der Lagerschalen die Folge sein. Auch der Bearbeitungsgenauigkeit grobkörniger Keramik sind Grenzen gesetzt.To create a variety of micro nozzles, a porous, coarse-grained ceramic used as an intermediate layer, through which the Air is passed through. It undoubtedly appears to be a disadvantage loose cohesion of the ceramic particles connected by sintering. If it breaks out, even individual grains, one can Destruction of the guideway or the bearing shells may result. The processing accuracy of coarse-grained ceramics is also limited set.

Die Fügetechnik keramischer Werkstoffe stellt ein weiteres Problem dar, wie SCHÄFER, W.: Fügetechniken für Bauteile aus technischer Keramik - Übersicht und Systematik, Technische Keramik 1 (1988), 142-149 und GUYENOT, V. et al.: Fügen hochtemperaturfester Vakuumbauteile aus heißisostatisch gepreßter Al₂O₃-Keramik, Feingerätetechnik 39 (1990) ausführen. Die bekannten Verfahren mit metallischen Zwischenschichten und auch mit sehr dünnen glasphasenenthaltenden Zwischenschichten sind in diesem Zusammenhang nicht relevant, da alle diese Zwischenschichten beim Fügen vollständig aufschmelzen.The joining technology of ceramic materials represents another Problem, as SCHÄFER, W .: joining techniques for components from technical Ceramics - overview and systematics, technical ceramics 1 (1988), 142-149 and GUYENOT, V. et al .: joining high temperature resistant Vacuum components made from hot isostatically pressed Al₂O₃ ceramic, Execute precision equipment 39 (1990). The well-known Process with metallic intermediate layers and also with very thin glass phase-containing intermediate layers are in this Context not relevant, since all of these intermediate layers in the Melt completely.

Lediglich in der PS JP 6 02 60 479 wird auf das Fügen von Werkstücken aus Aluminiumoxidkeramik mit einer sogenannten Grünfolie eingegangen, ohne daß eine Strukturierung zur Erzeugung von Durchbrüchen bzw. eine Anwendung in der Lager- und Führungstechnik in Aussicht gestellt wird. Die für das Fügen keramischer Werkstoffe bekannten Grünfolien (JP 6 02 60 479, JP 6 22 75 074, JP 6 22 75 075, EP 00 31 540 u. a.) haben den gemeinsamen Nachteil, daß sie beim Fügen aufschmelzen. Die Beibehaltung einer Struktur der Folie nach dem Fügen, beispielsweise von Auslassungen in der Folie, ist somit ausgeschlossen.Only in PS JP 6 02 60 479 is the joining of workpieces made of aluminum oxide ceramic with a so-called green film received without structuring to generate Breakthroughs or an application in warehouse and management technology is promised. The one for joining ceramic Materials known green foils (JP 6 02 60 479, JP 6 22 75 074, JP 6 22 75 075, EP 00 31 540 u. a.) have the common disadvantage that melt them while joining. Maintaining a structure of the Foil after joining, for example omissions in the Film is therefore excluded.

In den PS DD 3 39 369 und 3 39 370 wird die Herstellung einer keramischen vorgesinterten Folie zum Präzisionsfügen keramischer Werkstücke vorgestellt. Hierbei wird eine teilweise hohe Oberflächengüte der Folie und der zu fügenden keramischen Werkstücke vorausgesetzt und der Vorgang Vorsintern durchgeführt, so daß entsprechende Aufwendungen erforderlich sind. Auch hierbei ist das Beibehalten einer Struktur der Folie in Form von beispielsweise Durchbrüchen vom Gießen bis zum Vorsintern nicht realisierbar.PS DD 3 39 369 and 3 39 370 describe the production of a ceramic presintered foil for precision joining of ceramic  Workpieces presented. This results in a partially high surface quality the film and the ceramic workpieces to be joined provided that the pre-sintering process is carried out so that corresponding expenses are required. Here too is maintaining a structure of the film in the form of, for example Breakthroughs from casting to pre-sintering not possible.

Ziel der Erfindung ist der Bau einer linearen Längsführung, welche den Ansprüchen der Feinwerktechnik genügt, eine hohe Verschleißfestigkeit, Magnetfreiheit und Klimatauglichkeit sowie einen geringen Herstellungsaufwand aufweist.The aim of the invention is the construction of a linear longitudinal guide, which meets the requirements of precision engineering, high wear resistance, Magnet freedom and climate suitability as well has a low manufacturing cost.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine lineare Längsführung zu schaffen ohne die Notwendigkeit der Herstellung und Montage von Elementarluftlagerelementen mit gebohrten Mikrodüsen.The invention has for its object a linear longitudinal guide to create without the need to manufacture and Assembly of elementary air bearing elements with drilled micro nozzles.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Grundkörper aus einer alternierenden Schichtung von Keramikteilen und sinternden Folienstücken besteht, wobei sich in den Folienstücken Durchbrüche für die Luftzufuhr befinden, welche die Konturen der Luftdüsen besitzen und daß in den Keramikplatten je ein Luftverteilungskanal vorgesehen ist. Mit dem Einsatz sinternder Folienstücke ergibt sich der Effekt, daß die Durchbrüche für die Luftzufuhr nach dem Fügen der Keramikteile erhalten bleiben.According to the invention the object is achieved in that the base body from an alternating layering of ceramic parts and sintering pieces of film exists, being in the pieces of film Breakthroughs for the air supply are located, which are the contours of the Air nozzles and that in the ceramic plates each have an air distribution channel is provided. With the use of sintered pieces of film there is the effect that the breakthroughs for the Air supply is maintained after joining the ceramic parts.

Das Wesen des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß vor dem stoffschlüssigen Fügen der Keramikteile mit den Folienstücken die Folie gegossen sowie die Durchbrüche für die Luftzufuhr in die Folie eingebracht werden. Die Folienstücke werden so groß angefertigt, daß sie zunächst über die Keramikplatten hinausragen.The essence of the method according to the invention is that before the integral joining of the ceramic parts with the film pieces poured the film and the openings for the air supply in the film can be inserted. The pieces of film get so big made that they first protrude beyond the ceramic plates.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Dabei zeigt Fig. 1 den Grundkörper in Explosivdarstellung und Fig. 2 die Gesamtansicht des fertigen Grundkörpers.The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. Here, FIG 1. 2 shows the base body in an exploded view and Fig. Is a general view of the finished base body.

Der Grundkörper findet in aerostatischen Längsführungen und Präzisionslagern Anwendung. Er setzt sich aus einem alternierenden Schichtaufbau von Keramikplatten 1 und Folienstücken 2 zusammen. Die Schichtung endet mit einem Keramikabschlußelement.The base body is used in longitudinal aerostatic guides and precision bearings. It consists of an alternating layer structure of ceramic plates 1 and pieces of film 2 . The layering ends with a ceramic finishing element.

In den Keramikplatten 1 befindet sich je ein Luftverteilungskanal 4. Je nach Anforderungen können mehr Luftverteilungskanäle vorgesehen sein. Am Luftverteilungskanal 4 schließen sich der Luftversorgungskanal 5 und die Luftzufuhrleitung 6 an. In den Folienstücken 2 befinden sich Durchbrüche für die Luftzufuhr 7. Durch die geometrische Form und Gestaltung der Durchbrüche 4 sowie durch die Dicke der Folienstücke 2 werden Form und Querschnitt der Luftdüsen 8 bestimmt.There is an air distribution channel 4 in each of the ceramic plates 1 . Depending on the requirements, more air distribution channels can be provided. On air distribution channel 4, the air supply channel 5 and the air supply line 6 connect. Breakthroughs for the air supply 7 are located in the film pieces 2 . The shape and cross section of the air nozzles 8 are determined by the geometric shape and design of the openings 4 and by the thickness of the film pieces 2 .

Das Keramikabschlußelement 3, die Folienstücken 2 und die Keramikplatten 1 sind stoffschlüssig miteinander verbunden. Durch den Luftversorgungskanal 5 tritt die Luft in den Grundkörper ein und breitet sich über die Luftversorgungskanäle 4 in den einzelnen Keramikplatten 1 im ganzen Grundkörper aus. The ceramic end element 3 , the film pieces 2 and the ceramic plates 1 are integrally connected. The air enters the base body through the air supply channel 5 and spreads through the air supply channels 4 in the individual ceramic plates 1 throughout the base body.

Die Durchbrüche 7 leiten die Luft durch die Luftdüsen 8 an die Oberfläche des Grundkörpers. Dort bildet sich entsprechend Anzahl und Größe der Luftdüsen 8 ein Luftpolster aus. Durch entsprechende Gestaltung der Durchbrüche 7 und somit der Luftdüsen 8 können unterschiedliche Anwendungen erreicht werden.The openings 7 guide the air through the air nozzles 8 to the surface of the base body. An air cushion is formed there in accordance with the number and size of the air nozzles 8 . Different applications can be achieved by appropriate design of the openings 7 and thus of the air nozzles 8 .

So kann die Richtung der aus den Düsen strömenden Luft durch schräge Durchbrüche erreicht werden. Die Folienstücke 2 können mittels Durchbruch so gestaltet werden, daß auf der Ober- und Unterseite des Grundkörpers Luftdüsen entstehen. Auch kann die ausströmende Luft durch verschiedene geometrische Formen oder Durchbrüche beeinflußt werden.In this way, the direction of the air flowing out of the nozzles can be achieved through oblique openings. The pieces of film 2 can be designed by means of an opening so that air nozzles are formed on the top and bottom of the base body. The outflowing air can also be influenced by various geometric shapes or openings.

Die Herstellung des Grundkörpers beginnt mit der Vorbereitung der einzelnen Keramikplatten. Diese werden entsprechend Abmessung vor- bzw. fertiggeschliffen. In die Keramikplatten werden die Luftversorgungs- bzw. -verteilungskanäle eingearbeitet.The production of the basic body begins with the preparation of the individual ceramic plates. These are dimensioned accordingly pre-ground or finished. The are in the ceramic plates Air supply and distribution channels incorporated.

Parallel dazu wird die keramische Folie nach bekannten Verfahren gegossen. Die hergestellten Folienstücke sind so groß, daß sie über die Keramikplatte hinausragen. Mittels bekannter Technik werden die Durchbrüche für die Luftzufuhr 7 hergestellt.In parallel, the ceramic film is cast using known methods. The pieces of film produced are so large that they protrude beyond the ceramic plate. The openings for the air supply 7 are produced by means of known technology.

Der eigentliche Fügevorgang erfolgt durch Sintern in einem Ofen. Vorbereitend werden hierzu die Keramikplatten 1 und die Folienstücken 2 alternierend übereinander geschichtet. Dieser sandwichartige Aufbau endet mit einem Keramikabschlußelement 3. Das Aufbringen der Folienstücken 2 auf die Keramikplatten 1 erfolgt mit einem Laminierhilfsmittel.The actual joining process is carried out by sintering in an oven. To this end, the ceramic plates 1 and the pieces of film 2 are alternately layered one above the other. This sandwich-like structure ends with a ceramic end element 3 . The pieces of film 2 are applied to the ceramic plates 1 using a laminating aid.

Unter Nutzung einer Füge- bzw. Spannvorrichtung werden die Einzelteile im Ofen bei einer Temperatur 1100°C bis 1400°C stoffschlüssig gefügt. Die Fügezeit beträgt vorzugsweise eine Stunde. Da die Folien beim Fügen nicht aufschmelzen, bleiben die Durchbrüche für die Luftzufuhr im Grundkörper erhalten.Using a joining or clamping device, the individual parts in the oven at a temperature of 1100 ° C to 1400 ° C added. The joining time is preferably one hour. Since the foils do not melt when joining, they remain Breakthroughs obtained for the air supply in the base body.

Das Fertigschleifen und Reinigen des gesamten Grundkörpers beendet die Herstellung. Der Grundkörper ist beständig gegen Königswasser.Finishing and cleaning of the entire body is finished the production. The base body is resistant to aqua regia.

Claims (5)

1. Grundkörper einer linearen Längsführung, bzw. eines aerostatischen Lagers, in welchem Anschlüsse für die Druckluftzuführung und -verteilung sowie Luftdüsen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper aus einer alternierenden Schichtung von Keramikplatten (1), Folienstücken (2) und einem Keramikabschlußelement (3) besteht, daß sich in den Folienstücken (2) Durchbrüche für die Luftzufuhr (7) befinden, welche die Konturen der Luftdüsen (8) besitzen und daß in den Keramikplatten (1) je ein Luftverteilungskanal (4) vorgesehen ist.1. Basic body of a linear longitudinal guide, or an aerostatic bearing, in which connections for the compressed air supply and distribution and air nozzles are arranged, characterized in that the basic body from an alternating layering of ceramic plates ( 1 ), pieces of film ( 2 ) and a ceramic end element ( 3 ) there are openings in the film pieces ( 2 ) for the air supply ( 7 ) which have the contours of the air nozzles ( 8 ) and that an air distribution channel ( 4 ) is provided in the ceramic plates ( 1 ). 2. Grundkörper nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Folienstücke aus keramischer, sinternder Folie bestehen.2. Basic body according to item 1, characterized in that the film pieces consist of ceramic, sintering foil. 3. Grundkörper einer linearen Längsführung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftdüsenform durch die Dicke und Gestaltung der Folienstücke (2) bestimmt wird.3. Basic body of a linear longitudinal guide according to point 1, characterized in that the air nozzle shape is determined by the thickness and design of the film pieces ( 2 ). 4. Verfahren zur Herstellung des Grundkörpers nach den Punkten 1 bis 3, wobei die Keramikplatten beidseitig geschliffen, die Luftverteilungskanäle hergestellt und die Keramikplatten sowie die Foliestücken alternierend übereinandergeschichtet im Ofen bei einer Temperatur von vorzugsweise 1100°C-1400°C unter Anwendung einer Fügevorrichtung stoffschlüssig gefügt werden, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem stoffschlüssigen Fügen das Gießen der Folie sowie das Ausstanzen der Durchbrüche für die Luftzufuhr (7) in die Folie erfolgt, daß das Aufbringen der Folie auf die Keramikplatten (1) mittels eines Laminierhilfsmittels erfolgt, daß die Folienstücke (2) so groß angefertigt werden, daß sie zunächst über die Keramikplatten (1) hinausragen, und daß nach dem Laminiervorgang die über die Keramikplatten (1) herausragenden Folienstücke entfernt werden.4. A process for producing the base body according to items 1 to 3, the ceramic plates being ground on both sides, the air distribution channels being produced and the ceramic plates and the film pieces being alternately stacked in the oven at a temperature of preferably 1100 ° C.-1400 ° C. using a joining device be joined, characterized in that before the integral joining, the film is poured and the openings for the air supply ( 7 ) are punched out into the film, that the film is applied to the ceramic plates ( 1 ) by means of a laminating aid that the film pieces ( 2 ) are made so large that they first protrude beyond the ceramic plates ( 1 ) and that after the lamination process the pieces of film protruding from the ceramic plates ( 1 ) are removed. 5. Verfahren nach Punkt 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Fügevorgang der Grundkörper an der Oberfläche finishbearbeitet wird.5. The method according to item 4, characterized in that according to the Joining process of the base body finished on the surface becomes.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP0957275A3 (en) * 1998-05-14 2000-12-06 Asm Lithography B.V. Gas bearing and lithographic apparatus including such a bearing
WO2004111475A1 (en) * 2003-06-11 2004-12-23 Karl Weis Device comprising a floating bearing system and guide track consisting of tiles
DE10355816A1 (en) * 2003-11-28 2005-06-23 Fag Kugelfischer Ag Roller bearing is fitted with system which supplies gas or liquid to it and comprises distributors and channel connecting them with rollers, distributors being enclosed by at least two ceramic plates which are fastened together

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