JP7162662B2 - 切断部品の処理方法および関連する機器 - Google Patents

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Description

本発明は、切断部品の処理方法および関連する装置に関する。
本発明が少なくとも1つの刃先を備えるあらゆるタイプの工業用切断部品に関することに留意するのは重要である。本発明は、より具体的には、二つの対向する側部を有する切断面を備える回転式ナイフまたはホイールのような切断部品であって、一つまたは二つの刃先は、幅が二つの刃先を画定することを可能にする、これら対向する側部を結合する面をさらに備えるか否かに依存する。
回転式ナイフまたはホイールは、金属ストリップの少なくとも1つの長手方向側面をトリミングすることを目的としたサイドトリミング装置に特に使用されている。そのようなサイドトリミング装置機器1の例が図1に概略的に示されている。図1に示される非限定的な例では、サイドトリミング装置1は、金属ストリップ4の2つの長手方向側部3を同時にトリミングすることを意図した2対の回転式ナイフ2を備える。例えば、ストリップ4は鋼製でもよい。金属ストリップ4の各長手方向側部3は、対応する対の2つの回転式ナイフ2の間を連続的に通過し、その結果、その一部が剪断されて、優れた質の縁部および定まった幅が保証される。例えば、そのようなサイドトリミング装置1は、冷間圧延プロセスにおける酸洗ラインまたはストライピングラインの一部であり得る。
上記の対の1つの一部であり得る回転式ナイフ2の例を、図2に概略的に示す。それは、一定の幅を有する結合面8によって分離された2つの対向面6を有する切断面5を備え、結合面8は切断部品2の周囲を画定し、2つの平行な刃先7の間に延在する。
これらの回転式ナイフ2の寿命は、金属ストリップの長さまたは金属ストリップの切断コイルの数として表されることができるが、それ自体がナイフの表面の硬度とトポグラフィーに依存する摩耗状態に依存する。
切断部品、特に回転式ナイフの硬度を増加させるために、いくつかの処理方法が提案されてきた。
刊行物「Fatigue and mechanical characteristics of nano-structured tool steel by ultrasonic cold forging technology」Chang-Min Suh et al.-Materials Science and Engineering A 443(2007)p101-106は、超音波振動エネルギーをエネルギー源として使用し、毎秒数万回の打撃が一定圧力で材料表面に適用される超音波冷間鍛造技術(UCFT)と呼ばれる処理方法を開示している。この記事では、この技術は冷間圧延プロセスのトリミングナイフに適用されている。この刊行物によれば、超音波冷間鍛造技術は、硬度の特性を改善できるナノ構造化の表面改質技術である。しかし、この記事で述べられているように、このような技術だけでは、UCFT技術で予め処理されたトリミングナイフで切断できるコイルの数を2倍にすることしかできないため、不十分である。
Fatigue and mechanical characteristics of nano- structured tool steel by ultrasonic cold forging technology」Chang-Min Suh et al.-Materials Science and Engineering A 443(2007)p101-106
したがって、本発明の目的は、それらの寿命を大幅に改善する工業用切断部品の処理方法を提供することである。
この目的のために、本発明は、切断部品の処理方法であって、この切断部品の切断面が超音波ショットピーニング装置によって投射されたショットに曝されてショットの衝撃を伴う切断面になる第1のステップと、ショットの衝撃を伴った前記切断面が、選択された厚さに亘って研削されて被処理切断面になる第2のステップと、を備える方法に関する。
また、本発明の方法は、別々に、または考えられる全ての技術的な組み合わせに従って考慮される以下の任意選択の特性も備えることができる。
-切断部品が全体的に円形であり、前記切断部品の周囲を画定し、2つの刃先の間に延在する結合面によって分離された2つの対向面を備え、少なくとも刃先は第1のステップの間マスクされている。
-第1の実施形態では、第1のステップが、
・前記切断面の結合面が、前記超音波ショットピーニング装置によって投射されたショットに曝される一方、前記切断面の対向面が、少なくとも部分的に刃先まで、この刃先を含んでマスクされている第1のサブステップ、および、
・前記対向面が、前記超音波ショットピーニング装置によって投射されたショットに曝される一方、ショットの衝撃を伴った前記結合面が、少なくとも部分的に前記刃先まで、この刃先を含んでマスクされている第2のサブステップ、
を備えても良い。
-第2の実施形態では、第1のステップは、
・前記切断面の対向面が、前記超音波ショットピーニング装置によって投射されたショットに曝される一方、結合面が、少なくとも部分的に前記刃先まで、この刃先を含んでマスクされている第1のサブステップ、および、
・前記結合面が、前記超音波ショットピーニング装置によって投射されたショットに曝される一方、ショットの衝撃を伴った前記対向面が、少なくとも部分的に前記刃先まで、この刃先を含んでマスクされている第2のサブステップ、
を備えても良い。
これらの実施形態において、前記第1のステップでは、前記切断面の前記対向面が、1mm~50mm、好ましくは4mm~10mmの含まれる刃先から取得された高さでマスクされる。
-前記第1のステップにおいて、前記切断面は、それ自体の全表面の70%~1000%、好ましくは前記全表面の100%~200%、選択された表面へのショットの衝撃によって覆われるまで、ショットに曝される。
-前記第2のステップにおいて、前記厚さは0.02mm~1.5mm、好ましくは0.05~0.2mmで選択される。
-ショットは、直径が0.5mm~5mmを含む球形のボールである。
-前記第1のステップでは、ショットの総重量が、0.1グラム~500グラム、好ましくは1グラム~50グラムである。
本発明はまた、切断部品の処理装置に関し、この装置は、ショットの衝撃で切断面になるように、この切断部品の切断面にショットを投射するように配置された超音波ショットピーニング装置と、選択した厚さに亘ってショットの衝撃を伴った切断面を研削して、被処理切断面になるように配置された研削装置と、を備える。
また、本発明の装置は、個別に、または全ての可能な技術的な組み合わせに従って考慮される以下の任意選択の特徴も含むことができる。
-研削装置は、0.02mm~1.5mm、好ましくは0.05~0.2mmで選択された厚さに亘ってショットの衝撃を伴った切断面を研削するように構成されている。
-超音波ショットピーニング装置は、それ自体の全表面の700%~1000%、好ましくは100%~200%の間で選択された表面へのショットの衝撃によって覆われるまで、切断面にショットを投射するように構成され得る。
-超音波ショットピーニング装置は、0.5mm~5mmの間を含む直径を有する球形のボールであるショットを投射するように構成され得る。
-超音波ショットピーニング装置は、総重量が0.1グラム~500グラム、好ましくは1グラム~50グラムを含むショットを投射するように構成され得る。
-装置は、超音波ショットピーニング装置の振動面に設置された専用支持部を備え、支持部が切断部品を少なくとも部分的に支持し、切断部品の末端面を、刃先までマスクするように構成されてもよい。例えば、この支持部は、少なくとも2つの可動部品を備えてもよい。
本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照して、例として以下に与えられ、決して限定的ではないその説明から明らかになる。
鋼のストリップの2つの縦方向側部を同時にトリミングすることを意図した2対の回転式ナイフをサイドトリミング備える例を斜視図で概略的に示す。 本発明による方法が適用されることができ、図1に示すような機器に使用されることができるナイフの例を斜視図で概略的に示す。 本発明による処理方法の例を概略的に示す。 本発明による装置の例を概略的かつ機能的に示す。 本発明による方法の第1のステップの第1の例の第1のサブステップの間の、本発明による装置の超音波ショットピーニング装置の一部を断面図で概略的に示す。 本発明による方法の第1のステップの第1の例の第2のサブステップの間の、図5に示される超音波ショットピーニング装置の一部を断面図で概略的に示す。 本発明による方法の第1のステップの第1の例の第2のサブステップの間の、図5に示される超音波ショットピーニング装置の一部の実施形態の変形形態を、断面図で概略的に示す。 本発明による方法の第1のステップの第2の例の間の、本発明による機器の超音波ショットピーニング装置の一部を断面図で概略的に示す。 本発明による処理方法なしのナイフ、および本発明による処理方法を受けた3つのナイフの硬さの変化を、深さの関数として、それぞれ3つの異なるパラメータ値のセットで、図表にて概略的に示す。
本発明は、特に、その硬度を増加させ、大幅にその寿命を延ばすために切断部品を処理することを目的とする処理方法および関連装置を提案することを目的とする。
以下の説明では、例として、切断部品2が、図2に示されているような回転式ナイフまたはホイールであり、例えば、図1に示され、酸洗ラインまたはストリップラインに関して前述されているようなサイドトリミング装置1で使用され得ると考えられる。しかし、本発明はこの用途に限定されない。実際、本発明は、結合面8をさらに備えるか備えないかに応じて1つまたは2つの刃先7によって分離される2つの対向面6を有する切断面5を含む限り、任意のタイプの切断部品2に関連する。したがって、処理する切断部品2は、例えば、ナイフ、はさみ、シャー、鎌、またはブレードであってもよい。
上述のように、本発明は、切断部品2(ここでは図2に示される回転式ナイフ)を処理することを意図した処理方法を提案する。かかる処理方法は、図4に示されるように、少なくとも超音波ショットピーニング装置10と研削装置1とを含む本発明による装置(9)によって実施されることができる。
本発明による処理方法は、図3に概略的に示されるアルゴリズムの例を参照して以下に説明される。これは、2つのステップを備える。
第1のステップでは、超音波ショットピーニング装置10によって切断部品2の切断面5にショット12が投射され、ショットの衝撃を伴った切断面5となる。
この第1のステップは、サブステップ100および110によって図3に表されている。
例えば、図4に概略的かつ機能的に示されるように、超音波ショットピーニング装置10は、少なくとも発電機13、圧電変換器14、ソノトロード19、およびピーニング固定具とも呼ばれる末端部分17を備えることができる。任意選択で、図面に示すように、プリブースター15、ブースター16が追加され得る。
発電機13は、圧電変換器14を励起することを意図した正弦波電場を供給するように構成される。圧電変換器14は、正弦波電場の電気エネルギーを超音波振動に変換するように構成され、その周波数には、例えば10~60kHz、好ましくは15~25kHz、より好ましくは20kHzが含まれる。プリブースター15およびブースター16は、圧電変換器14によって供給される超音波振動の振幅を増大させるために構成される。最終的な振動コンポーネントとしてのソノトロード19は、ショット12を切断部品2に向けて投射するために使用される。末端部分17は、切断部品2の切断面5がショット12に伴い一時的に配置される処理チャンバを有するハウジングを備える。ソノトロード19によってもたらされる超音波振動は、縦方向の振動を誘発し、それは処理チャンバおよび、それによって図5から図8に示すように処理チャンバ内にあってマスクされていない切断面5の表面に、ショット12をランダムに投射する。したがって、切断面5の全表面は漸進的に処理され、それは表面だけでなく深さ(または表面下の体積)においてもその硬さを均一に増加させる。
切断面5の全表面が処理チャンバ内に配置され得ない場合、切断部品2が末端部分17に対して移動されるという点に留意することが重要である。それは、連続的にまたは順次(すなわち、処理チャンバ内の切断面5の部分がショットの衝撃に十分に曝されたとみなされる度に)移動されてもよい。したがって、切断部品2が回転式ナイフである場合、切断部品2は、例えば、専用の電気モーターの軸によって回転駆動され得る。この最後の実施形態では、ショットの衝撃を均質化するために、切断部品2の15~25回の回転が行われ得る。例えば、回転速度は10rpm未満であり得る。例えば、この回転速度は、好ましくは4rpmまたは5rpmに等しい。
例えば、第1のステップで、切断面5の各部分は、それ自体の全表面の70%~1000%の間、好ましくはそれ自体の全表面の100%~200%の間で選択される表面へのショットの衝撃により覆われるまで、ショット12に曝され得る。100%とは、表面のショットが時間Tの間実行され、面の100%がショットの衝撃で覆われることを意味する。200%とは、表面のショットが2Tの時間実行されることを意味する。70%は、ショットの衝撃(12)が表面全体を厳密にカバーしないことを意味するが、ブレードの70%のみが処理されることを意味しない。実際、ショットの直径は処理された表面の直径ではなく、さらに大きくてもよい。例えば、切断面5の各部分は、それ自体の全表面の125%(露出時間1.25T)に等しい表面へのショットの衝撃によって覆われるまで、ショット12に曝されてもよい。
ショットは、ボールのような実質的に球形であることが好ましく、特に球形度の最大許容誤差は±60マイクロメートル(μm)である。ショットは、好ましくは、その表面に少なくとも1つの非鉄材料、有利には炭化タングステン(WC)を含む。ショットは完全に炭化タングステンで作られることができるが、鋼、ステンレス鋼、セラミック、ガラス、ニッケル基合金、チタン合金で作られることもできる。ショット12は、好ましくは、0.5mm~5mmに含まれる直径を有する。
また、例えば、第1のステップでは、総重量が0.1グラム~500グラム、好ましくは1グラム~50グラムのショット12を処理チャンバに設けることができる。当業者は、処理チャンバの容積に応じてショット12の総重量を調整する。
処理方法の第2ステップでは、ショットの衝撃を伴った切断面5が選択された厚さに亘って研削され、被処理切断面5になる。この第2のステップは、ステップ120によって図3に表されている。
この選択された材料除去の厚さは、装置9の研削装置11によって実行される。
例えば、この研削は、砥石またはミルストーンを使用した、制御された研削で構成されてもよい。
また例えば、第2のステップにおいて、厚さは、0.02mm~1.5mm、好ましくは0.05~0.2mmで選択されてもよい。
第1のステップの少なくとも3つの異なる実施態様が想定され得る。
第1の実施態様では、図3の非限定的な例に示されるように、第1のステップは、第1のサブステップ100および第2のサブステップ110を備えることができる。
図5に示される第1のサブステップ100において、結合面8は、超音波ショットピーニング装置10によって投射されたショット12を受け、一方、切断面5の対向面6は、それら対向面を結合面8からそれぞれ分離するその刃先7までマスクされる。この刃先7までのこのマスキングは、それら刃先を損傷しないことが意図されている。これは、対向面6がこれら上縁によって完全にマスクされるように、ソノトロード19の振動面の上に切断部品2を吊り下げた後に超音波ショットピーニング装置10の末端部分17のハウジングの上縁によって、実現されることができる。変形例では、それらを完全にマスクするために、対向面6に専用マスクを貼り付けることが可能である。
図6および図7に示される第2のサブステップ110では、対向面6は、超音波ショットピーニング装置10によって投射されたショット12に曝され、一方、ショットの衝撃にすでに曝されている結合面8は、刃先7までマスクされている。刃先7までのこのマスキングはまた、それら刃先を損傷しないことが意図されている。それは、処理チャンバの振動面に設定され、切断部品2を(少なくとも部分的に)支持する専用の支持部または延長部18の上面によって実現されてもよい。そのような専用の支持部または延長部18は、図6に示されるような1つの部品、または図7に示されるようなより厚い切断部品2を支持するために必要であれば移動され得るいくつかの部品を含み得る。したがって、様々なサイズの切断部品2に適合させるために、図6に示されるように、または図7に示されるように、一体にしてもよい。別の変形例では、結合面8を完全にマスキングするために、結合面8に専用マスクを貼り付けることが可能である。
第2の実施態様では、第1の実施態様の第1のサブステップ100と第2のサブステップ110が逆になっている。したがって、第1のサブステップでは、対向面6が超音波ショットピーニング装置10によって投射されたショット12に曝される一方、切断面5の結合面8が刃先7までマスクされる。第2のサブステップでは、結合面8が超音波ショットピーニング装置10によって投射されたショット12に曝される一方、ショットの衝撃を伴った対向面6は、刃先7までマスクされる。
本発明によれば、少なくとも刃先7は、それらの表面のいずれの損傷をも回避するためにマスクされる。例えば、第1または第2の実施態様において、切断面5の対向面6は、1mm~50mm、好ましくは1mm~10mm、より好ましくは4mm~10mmの高さで刃先7からマスクされてもよい。
第3の実施態様では、対向面6のみが、第1の実施態様の第2のサブステップおよび第2の実施態様の第1のサブステップと同じ動作条件下で超音波ショットピーニング装置10によって投射されるショット12を受ける。この第3の実施態様は、対向面6が結合面8よりも早く摩耗するため、切断面5が第1または第2の実施態様によって予め処理されているときに、実行される。
超音波ニードルピーニング法(またはUNP、前述の超音波冷間鍛造技術に相当)および超音波ニードル矯正法(またはUNS)という2つの既知の処理方法は、STRESSVOYAGER UNP(別名NOMAD)およびSTRESSVOYAGER UNSの参照の下でSONATSによって製造されたものなどの装置によって実行されてきた。これらの方法では、針はピーニングヘッドの先端にあるエンドピースに案内される。超音波振動により、針(またはインパクタ)は被処理表面領域に向けて投射され、高周波の往復運動を行う。
超音波ショットピーニング(またはUSP)法と呼ばれる別の方法が検証されている。この方法は、STRESSVOYAGER USPの参照の下でSONATSによって製造されたものなどの装置によって実行されることができる。硬度を向上させるために、切断部品の切断面にショットを投射して表面処理を行う。ショットは、超音波周波数で振動する「音響ブロック」を形成する金属要素によって推進される。発電機は、圧電変換器を励起してこの電気エネルギーを超音波振動に変換する正弦波電場を産出する。圧電変換器によって産出される振動は、ショットを投射するには小さすぎる。これは、一連のプリブースターとブースターによって増加され、「ソノトロード」という名前の音響ブロックの終端部分にとって十分な効率の値に達する。この終端部分は、回転式ナイフの切断面がショットに伴い一時的に配置される処理チャンバを備えたハウジングを含むピーニング固定具によって覆われている。ソノトロードの表面の縦方向の振動により、ショットがランダムに処理チャンバに投射される。したがって、処理はエンクロージャの全ての表面で均一であり、その結果、被処理切断面で均一である。
切断部品2が回転式ナイフである場合の、いかなる表面処理も本発明による処理もない比較の結果が、図9の図表に示されている。
第1の曲線c1は、深さ(μm)の関数として、第1の未処理の回転式ナイフ2の微小硬度の変化を示している。第2の曲線c2は、ショット12に伴い本発明により処理された第2の回転式ナイフ2の微小硬度の変化を示す。ショット12は、第1の直径が1.5mmに等しく、ショット12の第1の総重量が4グラムに等しく、深さの関数として、ショットの衝撃による切断面5の第1のカバレッジが125%に等しい。第3の曲線c3は、ショット12に伴い本発明により処理された第3の回転式ナイフ2の硬度の変化を示す。ショット12は、第1の直径、ショット12の第1の総重量、深さの関数として、3000%に等しいショットの衝撃による切断面5の第2のカバレッジを有する。第4の曲線c4は、ショット12に伴い本発明により処理された第4の回転式ナイフ2の硬度の変化を示す。ショット12は、第2の直径が4mmに等しく、ショット12の第2の総重量が10グラムに等しく、深さの関数として、ショットの衝撃による切断面5の第1のカバレッジが125%に等しい。
第2のc2、第3のc3および第4のc4の曲線は、第1の曲線c1(処理なし)と比較して、表面だけでなく深さ(またはかさ高)、特に深さ1mmで硬さの増加を示している。第4の曲線c4は、深度で最良の結果を示しており、そのため、対応するパラメータのセットが検討中の回転式ナイフ2に最適であると実際にみなされることができる。
本発明の恩恵で、切断部品の寿命の重要な延長が得られる。例えば、12270トンを超える金属ストリップが同じ回転式ナイフで切断されることができる。これは、約380kmの金属ストリップに対応しており、同じ回転式ナイフでいずれの欠陥もなく切断され得るが、従来の回転式ナイフでは75kmしか得られない。したがって、本発明の方法および装置によれば、同じナイフでの切断に曝される金属ストリップの長さは、5倍であってもよい。

Claims (16)

  1. 切断部品(2)の処理方法であって、前記切断部品(2)の切断面(5)が超音波ショットピーニング装置(10)によって投射されたショット(12)に曝されてショットの衝撃を伴う切断面(5)になる第1のステップと、ショットの衝撃を伴った前記切断面(5)が、選択された厚さに亘って研削されて被処理切断面(5)になる第2のステップとを含
    焼き入れ、および焼き戻しを含む熱的プロセスのステップを含まない、切断部品(2)の処理方法。
  2. 切断部品(2)が全体的に円形であり、前記切断部品(2)の周囲を画定し、2つの刃先(7)の間に延在する結合面(8)によって分離された2つの対向面(6)を備え、少なくとも刃先(7)が第1のステップの間マスクされている、請求項1に記載の方法。
  3. 前記第1のステップが、
    i)切断面(5)の結合面(8)が、前記超音波ショットピーニング装置(10)によって投射されたショット(12)に曝される一方、前記切断面(5)の対向面(6)が、前記刃先(7)を含むようにして当該刃先まで、少なくとも部分的にマスクされている第1のサブステップ、および、
    ii)前記対向面(6)が、前記超音波ショットピーニング装置(10)によって投射されたショット(12)に曝される一方、ショットの衝撃を伴った前記結合面(8)が、前記刃先(7)を含むようにして当該刃先まで、少なくとも部分的にマスクされている第2のサブステップ、
    を備える、請求項2に記載の方法。
  4. 前記第1のステップが、
    i)前記切断面(5)の対向面(6)が、前記超音波ショットピーニング装置(10)によって投射されたショット(12)に曝される一方、結合面(8)が、前記刃先(7)を含むようにして当該刃先まで、少なくとも部分的にマスクされている第1のサブステップ、および、
    ii)前記結合面(8)が、前記超音波ショットピーニング装置(10)によって投射されたショット(12)に曝される一方、ショットの衝撃を伴った前記対向面(6)が、前記刃先(7)を含むようにして当該刃先まで、少なくとも部分的にマスクされている第2のサブステップ、
    を備える、請求項2に記載の方法。
  5. 前記第1のステップにおいて、前記切断面(5)の前記対向面(6)が、1mm~50mm、好ましくは4mm~10mmに含まれる刃先(7)から取得された高さでマスクされる、請求項3および4のいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記第1のステップにおいて、前記切断面(5)は、それ自体の全表面の70%~1000%、好ましくは前記全表面の100%~200%で選択された表面へのショットの衝撃によって覆われるまでショット(12)に曝される、請求項1~5のいずれか一項に記載の方法。
  7. 前記第2のステップにおいて、前記厚さが0.02mm~1.5mmの間、好ましくは0.05mm~0.2mmで選択される、請求項1~6のいずれか一項に記載の方法。
  8. ショット(12)が、0.5mm~5mmに含まれる直径を有する球形のボールである、請求項1~7のいずれか一項に記載の方法。
  9. 前記第1のステップにおいて、ショット(12)の総重量が、0.1グラム~500グラム、好ましくは1グラム~50グラムである、請求項1~8のいずれか一項に記載の方法。
  10. 切断部品(2)の処理装置(9)であって、
    -ショットの衝撃を伴った切断面(5)になるように、前記切断部品(2)の切断面(5)にショット(12)を投射するために構成される超音波ショットピーニング装置(10)と、
    -被処理切断面(5)になるように、選択された厚さに亘りショットの衝撃を伴った前記切断面(5)を研削するために構成される研削装置(11)と
    を備え、
    前記切断部品(2)の処理装置(9)は、焼き入れ、および焼き戻しを含む熱的プロセスを実行しないように構成されている、切断部品(2)の処理装置(9)。
  11. 前記研削装置(11)が、0.02mm~1.5mmの間、好ましくは0.05mm~0.2mmの間で選択された厚さに亘ってショットの衝撃を伴った前記切断面(5)を研削するように構成される、請求項10に記載の装置。
  12. 前記超音波ショットピーニング装置(10)は、それ自体の表面の70%~1000%、好ましくは100%~200%で選択された表面へのショットの衝撃によって覆われるまで、切断面(5)にショット(12)を投射するように構成される、請求項10および11のいずれか一項に記載の装置。
  13. 前記超音波ショットピーニング装置(10)が、0.5mm~5mmを含む直径を有する球形のボールであるショット(12)を投射するように構成される、請求項10~12のいずれか一項に記載の装置。
  14. 前記超音波ショットピーニング装置(10)は、総重量が0.1グラム~500グラム、好ましくは1グラム~50グラムを含むショット(12)を投射するように構成される、請求項10~13のいずれか一項に記載の装置。
  15. 前記超音波ショットピーニング装置(10)の振動面に設置された専用支持部(18)を備え、前記支持部(18)が前記切断部品(2)を少なくとも部分的に支持し、前記切断部品(2)の結合面(8)が、刃先(7)まで、この刃先を含むようにマスクするために構成される、請求項10~14のいずれか一項に記載の装置。
  16. 前記専用支持部(18)が少なくとも2つの可動部品を備える、請求項15に記載の装置。
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