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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung sowie ein Verfahren
zur Überdruckdetektion in einem von einem Arbeitsmedium
befüllbaren Arbeitsvolumen eines Aktors, der vorzugsweise
im Wege eines generativen Herstellverfahrens hergestellt worden
ist.
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Stand der Technik
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Im
Bereich der halb- oder vollautomatisierten Bearbeitung, Herstellung
oder Handhabung von Komponenten nahezu beliebiger Art werden heutzutage
in industriellen Bearbeitungs- und Fertigungsbereichen speziell
an die jeweilige Bearbeitungssituation angepasste Aktoren eingesetzt,
die beispielsweise zur Durchführung von Greifaufgabe über
elektromotorische, hydraulische oder pneumatische Antriebsmechanismen
zur kontrollierten Auslenkung einzelner Greifelemente, vorzugsweise
in Form von Greiferbacken oder Greiffingern, verfügen.
Die weiteren Betrachtungen beziehen sich vornehmlich auf Aktoren,
zu deren Aktivierung Gase oder Flüssigkeiten als Arbeitsmedien
eingesetzt werden, die druckbeaufschlagt zumeist in ein Arbeitsvolumen
zu Zwecken einer kontrollierten Deformation, Verdrängung oder
Auslenkung einer Aktorkomponente eingespeist bzw. zur Umkehr der
jeweiligen Aktorfunktion aus dem Arbeitsvolumen kontrolliert ausgeleitet
werden.
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Es
liegt auf der Hand, dass für einen sicheren Betrieb derartiger
Aktoren sämtliche technische Betriebsparameter, die einen
zuverlässigen und dauerhaften Einsatz des jeweiligen Aktors
gewährleisten, in streng vorgegebenen Bereichsgrenzen zu
halten sind. In diesem Zusammenhang gilt es insbesondere den Arbeitsdruck,
mit dem das jeweilige Arbeitsmedium zur Funktionsausübung
in ein Arbeitsvolumen des Aktors eingespeist wird, exakt zu überwachen
und insbesondere darauf zu achten, dass maximale Arbeitsdrücke
nicht überschritten werden, zumal in einem derartigen Fall
irreversible Aktorschäden auftreten können, die
mit zeitintensiven und kostenaufwendigen Reparaturmaßnahmen
verbunden sind.
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Insbesondere
für die Hersteller derartiger Aktoren ist es von besonderem
wirtschaftlichen Interesse an bereits geschädigten Aktoren
zuverlässig nachprüfen zu können, ob
die Schadensursache durch eine nutzerseitiges Nichtbeachtung vorgegebener
Betriebsgrenzen bedingt ist oder ob ein zu Schaden gekommener Aktor
Herstellerseitig aufgrund bestehender Gewährleistungspflichten
zu beheben ist. Im ersteren Fall ist der Hersteller frei von jeglicher
Gewährleistung.
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Wie
bereits vorstehend erwähnt, zählt das sorgfältige
und korrekte Einhalten eines zulässigen Betriebsdruckes
für das jeweils im Einsatz befindliche Arbeitsmedium zur Aktivierung
eines Aktors zu einer der Hauptaufgaben im Umgang mit derartigen Aktoren.
Somit bietet es sich an durch Vorsehen eines Überdruckdetektors
oder -sensors im Bereich der Arbeitsmittelführung innerhalb
des Aktors eine Möglichkeit des Nachweises zu schaffen,
ob bei einem schadhaften Aktor die Schadensursache auf ein überhöhtes
Druckniveau des Arbeitsmediums während des Einsatzes zurückzuführen
ist.
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Der
Wunsch nach einem derartigen Nachweis ist vor allem bei Aktoren
von besonderem Interesse, die herstellungs- und letztlich auch materialbedingt über
einen eher filigranen Aufbau verfügen, so dass bei bereits
geringfügigen Drucküberhöhungen über
herstellerseitig vorgegebene Betriebsgrenzen irreversible Aktorschäden
auftreten können. Dies betrifft insbesondere Aktoren, die
im Rahmen generativer Herstellungsverfahren direkt aus 3D-CAD-Daten einstückig
hergestellt werden können. Repräsentativ hierzu
seien Aktoren genannt, die aus der
DE 10 2005 046 160 oder
DE 10 2006 009 559
B3 zu entnehmen sind und deren Aktorbewegungen durch kontrollierte
Ausdehnung einer faltenbalgartigen Struktur, die das Aktorvolumen
umschließt, erzeugt werden. Die zumeist membranartig und
faltenbalgartig ausgebildete Aktorwand ist besonders empfindlich gegenüber
druckspezifischen Überbeanspruchungen. Aus diesem Grunde
ist es für die Hersteller derartiger Produkte, die nach
industriellem Standard verkauft werden, erforderlich, im Falle eines
Defektes, wie beispielsweise eines Risses in dem Faltenbalg, zweifelsfrei
erkennen zu können, ob es sich dabei um einen Fertigungsfehler
und damit Garantiefall handelt, oder um einen vom Benutzer zu verantwortenden
Handhabungsfehler hinsichtlich eines zu hohen Arbeitsdruckes.
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Überdrucksensoren
werden in industriell gefertigten Produkten hauptsächlich
als Sensorelement zum Schutz von empfindlichen Komponenten und Funktionsträgern
verwendet. Sie dienen oftmals als Messwertgeber, der bei Überschreiten
eines bestimmten Druckniveaus einen, meist elektrischen oder mechanischen
Impuls an ein Aktuatorelement übermittelt, das wiederum
eine Aktion auslöst, wie beispielsweise ein Öffnen
eines Druckventils zur Verminderung einer bevorstehenden mechanischen Überlastung.
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Überdrucksensoren
finden vielseitige Anwendungsmöglichkeiten, weswegen es
einen großen Variantenreichtum gibt, der von rein mechanischen Systemen über
die Ausnutzung von Federeffekten bis hin zu elektronischen Ausführungen
reicht. Die weiteren Betrachtungen beschränken sich auf
rein mechanische Überdrucksensoren, bei denen durch eine
einseitige Druckbeaufschlagung eine entsprechende Bewegungsreaktion
einer Sensormembran erfolgt. Üblicherweise bestehen derartige
mechanische Überdrucksensoren aus unterschiedlichen Baugruppen,
deren Fertigung durch modulares Zusammenfügen einzelner
Teile und Komponenten erfolgt. Sie bestehen typischerweise aus einem
Gehäuse mit Druckluftanschluss, eine Wirkdruckaufnahmefläche mit
Dichtungen, eine einstellbare Gegendruckfeder, ein Übertragungselement
zum Aktuator sowie gegebenenfalls eine entsprechende Druckanzeige.
Sämtliche Bauteile bzw. Baugruppen werden in einer Vielzahl
einzelner Montageschritte unter strenger Qualitätskontrolle
zusammengefügt, um letztlich einen Überdrucksensor
mit gewünschter Präzision und Langlebigkeit zu
erhalten. Die Fertigung derartiger Sensorelemente als Präzisionsgeräte
erfordert bei der Herstellung sowohl kostenintensive Montageschritte
als auch eine gewissenhafte Qualitätskontrolle.
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Darstellung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie auch
ein Verfahren zur Überdruckdetektion in einem Arbeitsvolumen
eines Aktors anzugeben, die bzw. das einfach und kostengünstig realisierbar
ist, manipulationssicher und untrennbar am Aktor angebracht ist.
Gegenüber bisher bekannten Überdruckdetektoren
bzw. -sensoren sollen die für die Funktionsweise erforderlichen
Komponenten des Sensors auf ein Minimum reduziert werden.
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Die
Lösung der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im
Anspruch 1 angegeben. Ein lösungsgemäßes
Verfahren ist Gegenstand des Anspruches 10. Den Erfindungsgedanken
vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind in den Unteransprüchen
angegeben sowie im Weiteren der Beschreibung insbesondere unter
Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel zu entnehmen.
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Eine
lösungsgemäße Vorrichtung zur Überdruckdetektion
in einem von einem Arbeitsmedium befüllbaren Arbeitsvolumen
eines Aktors weist einen, das Arbeitsvolumen oder ein an das Arbeitsvolumen fluidisch
angekoppeltes Volumen teilweise begrenzenden Wandbereich auf, der über
ein Mittel verfügt, das ausschließlich bei Druckbeaufschlagung
durch das Arbeitsmedium bei Überschreiten eines vorgebbaren
Maximaldruckes zumindest eine im Rahmen eines bestimmungsgemäßen
Gebrauch des Aktors irreversible Deformation erfährt.
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Zur
Realisierung eines lösungsgemäßen Überdruckdetektors
stehen grundsätzlich zwei Varianten zur Auswahl. Zum einen
ist der betreffende Wandbereich in Art einer Sollbruchstelle ausgebildet, die
bei Überschreiten eines vorgebbaren maximalen Betriebs-
oder Arbeitsdruckes eine zumindest partielle Zerstörung
erfährt, wodurch der Wandabschnitt eine Öffnung
erhält und letztlich das Arbeitsmedium durch die Öffnung
aus dem Arbeitsvolumen austreten kann. Ein diesbezügliches
Ausführungsbeispiel sieht als Mittel eine Art Membran vor,
die eine Membranwanddicke aufweist, die geringer ist als jene Aktorwand,
die das Arbeitsvolumen und/oder das Volumen ansonsten umgibt. Durch
entsprechende Membranwanddickenwahl sowie auch Materialwahl, aus
der die Aktorwand bzw. die Membranwand besteht, kann die maximale
Druckbelastbarkeit der Membran eingestellt werden, so dass die Membranwand
bei Überschreiten eines vorgegebenen Maximaldruckes gezielt
aufbricht. Auch ist es möglich die Belastbarkeit durch
Einkerbungen innerhalb der Membranwand individuell anzupassen.
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Für
den Hersteller derartiger Aktoren dient ein derartiges Bruchresultat
als Nachweis dafür, dass nutzerseitig eine Überschreitung
des Betriebsdruckes vorgenommen worden ist, so dass ein derartiger Aktorschaden
nicht der Gewährleistungspflicht unterliegt.
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Zu
berücksichtigen ist jedoch, dass es bei der vorstehend
beschriebenen Variante eines Überdruckdetektors in Form
einer Sollbruchstelle im Falle eines Überschreitens eines
maximalen Betriebsdruckes zwangsweise zu einem Ausfall sämtlicher
Aktorkomponenten kommt. Um dies zu vermeiden sieht eine zweite lösungsgemäße
Ausführungsvariante vor, das Mittel als deformierbare Membranwand
auszubilden, die aus einer ersten Position, in der die Membranwand
eine dem Arbeitsvolumen oder dem Volumen zugewandt gewölbte
Gestalt einnimmt, bei Überschreiten des Maximaldruckes
in eine zweite Position übergeht, in der die Membranwand
eine dem Arbeitsvolumen oder dem Volumen abgewandt gewölbte
Gestalt einnimmt, wobei die Membranwand sowohl in der ersten als
auch zweiten Position das Arbeitsvolumen bzw. das Volumen gasdicht
abschließt. Somit ist stets gewährleistet, dass
auch nach, gegebenenfalls kurzzeitigen, Überschreiten eines
maximalen Betriebsdruckes der Aktor, sofern er keinen anderweitigen
Schaden genommen hat, in seiner Funktion unbeeinträchtigt
bleibt. Wesentlich ist jedoch, dass die deformierbare Membranwand
eine stabile nach außen gewölbte Gestalt annimmt,
in der sie während des gesamten weiteren Betriebes des Aktors
raumstabil verharrt. Sollten in diesem Fall spätere Schädigungen
am Aktor auftreten, so dient die vorliegende Deformation der Membranwand
dem Hersteller als Nachweis, dass der Aktor unsachgemäß betrieben
wurde, so dass Gewährleistungsansprüche nicht
bestehen.
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Insbesondere
bei der Herstellung von Aktoren im Wege generativer Herstellverfahren,
die auch unter dem Begriff „Rapid Prototyping” bekannt
sind, lässt sich der lösungsgemäß ausgebildete Überdruckdetektor
einstückig und in dem gleichen Herstellungsvorgang realisieren,
mit dem auch der Aktor selbst produziert wird.
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In
vorteilhafter Weise wird der Überdruckdetektor, der vorstehend
als Mittel bezeichnet ist, derart innerhalb des Aktors, der vorzugsweise
im Wege eines generativen Herstellungsverfahrens gewonnen wird,
integriert, so dass für einen Nutzer bzw. Betrachter des
Aktors der Überdruckdetektor nach außen hin optisch
nicht in Erscheinung tritt. In vorteilhafter Weise ist das Mittel
durch wenigstens eine zusätzliche Aktorgehäusewand
gegenüber einer von außen freien Zugänglichkeit
und insbesondere vor einer für jedermann möglichen
in Augenscheinnahme geschützt. Im Schadensfall bestehen
für den Hersteller zur Schadensbeurteilung die Möglichkeiten
den schadhaften Aktor zur Beurteilung des Überdruckdetektors
entsprechend zu öffnen, d. h. den Aktor zu zerstören,
oder den Aktor im Wege einer zerstörungsfreien Untersuchungstechnik,
beispielsweise mittels Computertomographie, Ultraschalltechnik oder ähnliches,
zu überprüfen.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Die
Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen
Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
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1 Längsschnittdarstellung
durch einen als Greifer ausgebildeten Aktor mit einem lösungsgemäß ausgebildeten Überdruckdetektor,
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2 Detailansicht
der integrativen Anbringung des Überdruckdetektors in den
in 1 dargestellten Aktor.
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Wege zur Ausführung der Erfindung,
gewerbliche Verwendbarkeit
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In
1 ist
in Längsschnittdarstellung ein als Greifer ausgebildeter
Aktor dargestellt, dessen Grundaufbau einem Ausführungsbeispiel
entspricht, das in der gemäß der
DE 10 2005 046 160 B3 beschrieben
ist. Sämtliche in
1 dargestellten
Komponenten sind einstückig miteinander verbunden und im
Wege eines generativen Herstellungsverfahrens hergestellt. Zur Funktion
des als Roboter-Greifer ausgebildeten Aktors weist dieser ein Arbeitsvolumen
1,
das von einer faltenbalgartig ausgebildeten Aktorwand
2 umfasst
ist. Die faltenbalgartig ausgebildete Aktorwand
2 stützt
sich symmetrisch an einen mittigen Rahmenabschnitt
3 ab
und wird von diesem in zwei miteinander kommunizierende Teilvolumina
11',
12' unterteilt.
Aus der in
1 gezeigten Darstellung ist
ersichtlich, dass beim Befüllen der Teilvolumina
11',
12',
vorzugsweise mit Druckluft über eine Anschlussleitung,
die in
1 nicht dargestellt ist, beide faltenbalgartig
ausgebildeten Aktorwandabschnitte längs der strichliert
eingezeichneten Linearachse A jeweils in Pfeilrichtung nach außen
ausgedehnt werden. Die dem Rahmenabschnitt
3 jeweils gegenüberliegenden
Enden der faltenbalgartig ausgebildeten Aktorwände
2 sind
mit dem Hebelarm
4 fest verbunden, die jeweils über
ein Filmgelenk
5 mit einem Greiffinger
6 verbunden
sind. Bei der vorstehend beschriebenen Bewegung der Hebelarme
4 jeweils nach
außen bewegen sich die gegenüberliegenden Greiferfinger
6 aufeinander
zu, so dass auf diese Weise ein Greifvorgang kontrolliert erfolgen
kann. Wird hingegen die Luft aus dem inneren Teilvolumina
11',
12' abgelassen,
so öffnen sich beide Greiferfinger
6 aufgrund
der rückstellenden Federkraft, die innerhalb der wellenartig
ausgebildeten, biegeelastischen Aktorwand
2 wirksam wird.
Es liegt auf der Hand, dass ein Überschreiten der im Inneren
des Aktorvolumens
1 vorherrschenden Druckverhältnisse über
einen Maximaldruck zu einer irreversiblen Beeinträchtigung
der Aktorwand
2 führen kann. In lösungsgemäßer
Weise weist der in
1 dargestellte Greifer einen
einstückig integrierten Überdrucksensor bzw. -detektor
auf. So ist das Arbeitsvolumen
1 über einen Verbindungskanal
7 mit
einer sogenannten Sensorkammer
8 fluidisch verbunden, die
ihrerseits mit einer deformierbaren Membranwand
9 fluiddicht
bzw. gasdicht abgeschlossen ist.
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In 2 ist
eine vergrößerte Detailansicht des innerhalb des
Aktors integrierten Überdruckdetektors dargestellt, auf
die im Weiteren gleichsam Bezug genommen wird.
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Die
deformierbare Membranwand 9 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel
eine kreisrunde, schüsselartig gewölbte Form auf,
wobei die Membranwand 9 in einer Grundposition eine zur
Sensorkammer 8 zugewandte Wölbung, wie dies insbesondere
aus der Detaildarstellung in 2 deutlich
zu entnehmen ist, einnimmt. Die gewölbte Membranwand 9 geht
peripher in einen die Membranwand 9 ringförmig
umgebenden Haltesteg 10 über, der radial nach
außen mit einer angrenzenden Aktorwandkomponente einstückig
verbunden ist. Andererseits schließt die deformierbare
Membranwand 9 eine Wölbungskammer 11 einseitig
ab, die von einer Aktorwand 12 begrenzt wird, durch die
die deformierbare Membranwand nach außen hin abgedeckt
und somit von außen nicht ersichtlich ist.
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Die
Wölbungskammer 11 ist über zwei Hohlleitungen 13 mit
der den Aktor umgebenden Umgebung offen verbunden, so dass einerseits
gewährleistet ist, dass innerhalb der Wölbungskammer 11 stets der
Umgebungsdruck vorherrscht, andererseits die Möglichkeit
geschaffen wird, dass prozessbedingte Materialreste, wie beispielsweise
Pulverreste, die sich im Wege eines generativen Herstellungsverfahren
gegebenenfalls in eingeschlossenen Hohlräumen ausbilden,
nach außen gelangen können.
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Wird
nun der dargestellte Greifer mit Druckluft beaufschlagt, gelangt
diese durch den Verbindungskanal 7 direkt in die Sensorkammer 8,
in der sich ein dementsprechend gleicher Arbeitsdruck einstellt.
Da innerhalb der Wölbungskammer 12 der äußere
Umgebungsdruck vorherrscht, lastet auf der deformierbaren Membranwand 9 der
sich zwischen dem Umgebungsdruck und dem Arbeitsdruck ausbildende
Differenzdruck. Aufgrund der vorgewölbten Form bleibt die
Membranwand 9 aufgrund eines durch die Geometrie und die
Wandstärke bestimmten maximalen Grenzdruckes stabil in
der dargestellten Grundposition. Bei Überschreiten des
Arbeitsdruckes über einen maximalen Betriebsdruck schnappt
die deformierbare Membranwand 9 unter Umkehr ihrer Wölbungsrichtung
um und ragt dabei in die Wölbungskammer 12 (siehe
strichliierte Formgebung) hinein. Aufgrund der bistabilen Auslegung
der deformierbaren Membranwand 9 verharrt die Membranwand 9 in
dieser ausgelenkten Form, zumal sie aufgrund ihrer Formstabilität
eigenständig nicht wieder in die Grundposition zurückgehen
kann. Die durch die strichliierte Linienführung dargestellte
Auswölbung der deformierbaren Membranwand 9 dient
als Indiz für ein, wenn auch nur kurzzeitiges Überschreiten
eines maximalen Betriebsdruckes, wodurch, wie eingangs erläutert,
Gewährleistungsansprüche im Schadensfalle nicht
erhoben werden können.
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Wie
bereits erwähnt, dienen der linke und rechte Hohlkanal 13 zum
einen zur Entfernung von herstellungsbedingten, zumeist pulverförmiges
Restmaterial, zum anderen dienen die Hohlkanale 13 zur Ausströmung
für die bei der Umkehrung der Membranwölbung aus
der Wölbungskammer entweichenden Luft.
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Möglicherweise
innerhalb des Arbeitsvolumens 1 befindliches Restpulvermaterial,
das vom generativen Herstellungsprozess bedingt ist, kann gleichfalls
auch über den Verbindungskanal 4 und die Hohlkanäle 13 entfernt
werden.
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Die
Hohlkanäle 13 werden vorzugsweise innerhalb des
Aktor derart integriert, so dass der Überdrucksensor nach
Auslösen vor Manipulationen geschützt ist, d.
h. die Auslassöffnungen 14 der Hohlkanäle 13 sind
von außen unzugänglich untergebracht. Insofern
stellt der innerhalb des Aktors integrierte Überdruckdetektor
bzw. -sensor eine Maßnahme dar, die innerhalb des Produktes
integriert und somit von außen nicht ersichtlich ist.
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Der
lösungsgemäß beschriebene Überdrucksensor
kann im Wege generativer Herstellungsprozesse schnell und ohne jegliche
zusätzliche Montage angepasst an die jeweiligen Überdruckgrenzen direkt
innerhalb des CAD-Datensatzes in das Produkt integriert werden.
Durch die lösungsgemäße Maßnahme
entstehende Zusatzkosten sind verglichen mit marktüblichen
Systemen vernachlässigbar. Grundsätzlich lässt
sich der lösungsgemäße Überdruckdetektor
neben dem beschriebenen Greifersystem auch in sämtlichen
druckempfindlichen passiven Bauteile oder Baugruppen als Sicherheitseinrichtung integrativ
vorsehen.
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- 1
- Arbeitsvolumen
- 11',
12'
- Teilvoluminia
- 2
- faltenbalgartig
ausgebildete Aktorwand
- 3
- Mittelteil
- 4
- Hebelarm
- 5
- Filmgelenk
- 6
- Greiferfinger
- 7
- Verbindungskanal
- 8
- Sensorkammer,
Volumen
- 9
- deformierbare
Membranwand
- 10
- umlaufender
Verbindungs-Haltesteg
- 11
- Wölbungskammer
- 12
- Abdeckung
- 13
- Hohlkanäle
- 14
- Auslassöffnung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005046160 [0006]
- - DE 102006009559 B3 [0006]
- - DE 102005046160 B3 [0020]