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Die Erfindung betrifft ein Rohrelement, die Verwendung eines Rohrelementes in einem Festkörperaktuator und ein Verfahren zum Herstellen eines Rohrelements.
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Rohrelemente können als Gehäuse für einen Festkörperaktuator, insbesondere mit einem Piezokörper mit einem Stapel piezoelektrischer Elemente dienen. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung an Kontaktelemente des Piezokörpers kann eine axiale Ausdehnung des Stapels der Piezoelemente erfolgen. Für eine gute Funktion eines Piezoaktuators ist es zweckmäßig, dass die mechanischen Eigenschaften des Rohrelements den Eigenschaften des Piezoaktuators bei Änderungen der thermischen Bedingungen und der elektrischen Spannung angepasst sind.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Rohrelement zu schaffen, das einfach und kostengünstig herstellbar ist und eine geringe thermische Längenänderung aufweist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zum Herstellen eines Rohrelements zu schaffen.
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Aus dem Stand der Technik sind beispielsweise verschiedenartige mit Gewebe verstärkte Rohre bekannt. Die Gewebeverstärkung besteht beispielsweise aus einer Textilumwicklung (
DE 10 2007 038 932 A1 ,
DE 696 01 883 T2 ) oder einer genähten oder gewirkten, bzw. gewebten Schlauchform (
DE 2 350 977 A ,
DE 28 53 417 A1 ,
WO 01/16519 A1 ).
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Die Aufgaben werden gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Gemäß eines ersten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Rohrelement, das sich in Richtung einer Längsachse erstreckt und das einen Rohrmantel aus einem nahtlosen Gewebe mit sich in Richtung der Längsachse erstreckenden Kettfäden aufweist. Die Kettfäden sind aus Kohlenstofffasern gebildet.
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Die Kettfäden, die auch Längsfaden genannt werden, sind die parallelen Fäden, die bei der Herstellung eines Gewebes in Längsrichtung liegen.
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Erfindungsgemäß weist das Rohrelement an mindestens einem seiner axialen Enden ein Ringelement auf, das fest mit dem Rohrmantel gekoppelt ist.
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Ein derart ausgebildetes Rohrelement hat den Vorteil, dass ein hoher Elastizitätsmodul des Gewebes in Richtung der Längsachse erreichbar ist. Des Weiteren kann eine geringe thermische Ausdehnung des Rohrelements erreicht werden. Darüber hinaus sind eine geringe Wandstärke und ein geringes Gewicht des Rohrelements möglich. Zusätzlich kann die Wärmeleitung über den Rohrmantel sehr gut sein. Ein derartiges Rohrelement kann sehr gut als Gehäuse für einen Piezokörper mit einem Stapel piezoelektrischer Elemente dienen. Außerdem kann ein derartiges Rohrelement sehr kostengünstig hergestellt werden.
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Die Ringelemente an den axialen Enden des Rohrelements ermöglichen eine hohe Stabilität des Rohrelements.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Gewebe mit den Kettfäden gekoppelte Schussfäden auf, die sich über den Umfang des Rohrmantels erstrecken. Die Schussfäden sind parallele Fäden eines textilen Gewebes, die bei der Herstellung eines Gewebes quer zu den Kettfäden angeordnet sind. Ein derartiges Gewebe hat den Vorteil, dass eine hohe Stabilität des Rohrelements insbesondere gegenüber Stauchen und Knicken erreichbar sein kann. Darüber hinaus kann die Wandstärke des Rohrmantels sehr klein sein.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Schussfäden aus einem Kunststoff gebildet. Dies hat den Vorteil, dass ein geringes Gewicht des Rohrelements möglich ist. Des Weiteren kann die Wandstärke des Rohrmantels gering sein. Das Rohrelement kann außerdem kostengünstig hergestellt sein.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Rohrmantel eine Dichtungsmasse auf, mit der das Gewebe ausgefüllt ist. Das Rohrelement kann so eine gute Dichtheit gegenüber Flüssigkeiten und Gasen erreichen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Dichtungsmasse einen ausgehärteten Kunststoff auf. Der Kunststoff ist insbesondere unter vorgegebenen Bedingungen ausgehärtet. Insbesondere kann der Kunststoff unter Energiezufuhr ausgehärtet sein. Dies erfolgt beispielsweise mittels UV-Strahlung oder Wärme. Der Kunststoff kann auch ein Zweikomponentenmaterial sein, das exotherm aushärtet. Das Gewebe kann damit zuerst in einfacher Weise hergestellt und anschließend mittels der Dichtungsmasse aus Kunststoff abgedichtet werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Kettfaden als Endlosfaden ausgebildet, der an den axialen Enden des Rohrmantels Schlaufen aufweist. Die Schlaufen sind fest mit dem mindestens einen Ringelement gekoppelt. Unter einem Endlosfaden wird in der Textiltechnik ein linienförmiges Element von praktisch unbegrenzter Länge verstanden, das sich textil verarbeiten lässt. Eine derartige Kopplung zwischen dem Rohrmantel und dem Ringelement kann sehr einfach ausgebildet werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Gewebe mehrere sich in Richtung der Längsachse erstreckende Kettfäden auf. Die Kettfäden weisen an den axialen Enden des Rohrmantels Endabschnitte auf, die fest mit dem mindestens einen Ringelement gekoppelt sind. Dies hat den Vorteil, dass eine einfache Kopplung zwischen dem Rohrmantel und dem Ringelement möglich ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Endabschnitte oder die Schlaufen der Kettfäden fest zwischen jeweils zwei radial zueinander angeordneten Ringelementen angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass eine einfache und sichere Kopplung zwischen Rohrmantel und Ringelement möglich ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Ringelemente aus einem Metall gebildet oder weisen ein Metall auf. Damit kann der Rohrmantel sehr präzise mit den Ringelementen gekoppelt werden. Des Weiteren können die Ringelemente insbesondere durch Form gebende Verfahren sehr präzise hergestellt werden. Darüber hinaus können die Ringelemente sehr gut bearbeitet werden, um eine präzise axiale Länge des Rohrelements zu erhalten.
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Gemäß eines zweiten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch die Verwendung eines Rohrelementes gemäß des ersten Aspekts der Erfindung in einem Festkörperaktuator mit einem Aktuatorelement. Das Aktuatorelement ist innerhalb des Rohrelements angeordnet.
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Gemäß eines dritten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Verfahren zum Herstellen eines Rohrelements, bei dem ein Rohrmantel aus einem nahtlosen Gewebe mit sich in Richtung einer Längsachse erstreckenden, aus Kohlenstofffasern gebildeten Kettfäden und sich über den Umfang des Rohrmantels erstreckenden Schussfäden gewebt wird, auf das Gewebe eine Dichtungsmasse aufgebracht wird und die Dichtungsmasse mit dem Gewebe bei einer vorgegebenen Temperatur ausgehärtet wird. Die Kettfäden werden während des Aushärtens der Dichtungsmasse einer Zugkraft ausgesetzt.
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Das Aufbringen der Dichtungsmasse auf das Gewebe kann insbesondere durch Lackieren, Tränken oder Beschichten erfolgen.
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Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass durch das Einbringen einer Vorspannung in die aus Kohlenstofffasern gebildeten Kettfäden ein Spiel des Gewebes um die Nulllage innerhalb des Gewebes ausgeschlossen werden kann.
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Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zum Herstellen einer Kopplung zwischen den Endabschnitten oder Schlaufen der Kettfäden und einem metallischen Ringelement die als Kohlenstofffaser ausgebildeten Kettfäden und das metallische Ringelement bereitgestellt, auf die Kohlenstofffaser wird wenigstens abschnittsweise eine Metallschicht aufgebracht, und die Kohlenstofffaser wird in dem Abschnitt, in dem die Metallschicht aufgebracht ist, mit dem metallischen Ringlement stoffschlüssig gekoppelt.
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Dies hat den Vorteil, dass eine Kopplung zwischen der Kohlenstofffaser und dem metallischen Ringelement in einfacher Weise möglich ist. Des Weiteren ist eine gute Kraftübertragung zwischen der Kohlenstofffaser und dem metallischen Ringelement möglich, indem nichtmetallische Bauteile im Kraftweg vermieden werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform gemäß des vierten Aspekts erfolgt das Aufbringen der Metallschicht auf die Kohlenstofffaser mittels Galvanisieren. Damit kann eine einfache und sichere Methode zur Beschichtung der Kohlenstofffaser eingesetzt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform gemäß des vierten Aspekts erfolgt das stoffschlüssige Koppeln der Kohlenstofffaser mit dem metallischen Ringelement mittels Löten. Dies hat den Vorteil, dass Löten eine einfache Methode zur Kopplung der Kohlenstofffaser mit dem metallischen Ringelement ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht eines Rohrelements in einer ersten Ausführungsform,
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2 eine abschnittsweise vergrößerte perspektivische Ansicht des Rohrelements,
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3 eine Querschnittsansicht des Rohrelements in einer weiteren Ausführungsform,
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4 eine Querschnittsansicht eines Festkörperaktuators mit einem Rohrelement, und
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5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Kopplung zwischen einer Faser und einem metallischen Element.
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Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein Rohrelement 10, das zylinderförmig ausgebildet ist, und einen Rohrmantel 12 sowie zwei Ringelemente 14 aufweist. Das Rohrelement 10 erstreckt sich in Richtung einer Längsachse A.
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Die Ringelemente 14 sind an axialen Enden 16 des Rohrmantels 12 und damit des Rohrelements 10 angeordnet. Die Ringelemente 14 sind fest mit dem Rohrmantel 12 gekoppelt. Die Ringelemente 14 sind aus einem Metall gebildet beziehungsweise weisen ein Metall auf. Das Metall ist vorzugsweise ein Stahl, insbesondere ein Ni36-Stahl.
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Der Rohrmantel 12 ist aus einem nahtlosen Gewebe 18 gebildet. Das Gewebe 18 hat Kettfäden 20, die sich in Richtung der Längsachse A erstrecken. Das Gewebe 18 hat weiter Schussfäden 22, die sich über den Umfang des Rohrmantels 12 erstrecken. Die Schussfäden 22 sind mit den Kettfäden 20 gekoppelt. Die Schussfäden 22 sind aus einem Kunststoff gebildet. Die Schussfäden 22 sind bevorzugt Aramidfasern. Diese haben den Vorteil eines kleinen beziehungsweise negativen Ausdehnungskoeffizienten. In einer weiteren Ausführungsform kann der Kunststoff ein Polyamid sein.
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In der in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsform des Rohrelements 10 ist der Kettfaden 20 als Endlosfaden ausgebildet. An den axialen Enden 16 des Rohrmantels 12 sind Schlaufen 24 des Kettfadens 20 angeordnet, die jeweils eine Verbindung zwischen in Richtung der Längsachse A verlaufenden Abschnitten des Kettfadens 20 bilden. Die Schlaufen 24 sind fest mit den Ringelementen 14 gekoppelt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, wie sie in 3 dargestellt ist, weist das Gewebe 18 eine Vielzahl von sich in Richtung der Längsachse A erstreckenden Kettfäden 20 auf. Die Kettfäden 20 haben an den axialen Enden 16 des Rohrelements 10 jeweils einen als loses Ende ausgebildeten Endabschnitt 26. Das Rohrelement 10 weist ein weiteres Ringelement 28 auf. Die Ringelemente 14, 28 der in 3 gezeigten Ausführungsform des Rohrelements 10 sind zueinander konzentrisch angeordnet. Zwischen dem äußeren Ringelement 14 und dem inneren weiteren Ringelement 28 sind die Endabschnitte 26 der Kettfäden 20 angeordnet und fest mit den Ringelementen 14, 28 gekoppelt. Vorzugsweise sind die Endabschnitte 26 der Kettfäden 20 zwischen den Ringelementen 14, 28 verpresst. Es ist so möglich, eine einfache und sichere Kopplung der Kettfäden 20 zwischen dem inneren Ringelement 28 und dem äußeren Ringelement 14 zu erreichen.
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Die Kettfäden 20 sind aus Kohlenstofffasern gebildet. Damit kann erreicht werden, dass das Gewebe 18 einen hohen Elastizitätsmodul in Richtung der Längsachse A aufweist. Des Weiteren ist in Richtung der Längsachse A nur eine geringe thermische Ausdehnung des Rohrelements 10 erreichbar. Darüber hinaus kann das Rohrelement 10 ein geringes Gewicht haben. Außerdem kann eine gute Wärmeleitung über den Rohrmantel 12 erreicht werden. Die Wandstärke des Rohrmantels 12 kann sehr gering ausfallen. Eine Ausbildung des Gewebes 18 mit Kettfäden 20 aus Kohlenstofffasern und Schussfäden 22 aus einem Kunststoff ermöglicht insgesamt ein geringes Gewicht des Rohrelements und eine geringe Wandstärke des Rohrmantels 12.
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Ein derart ausgebildeter Rohrmantel 12 kann darüber hinaus sehr kostengünstig gefertigt werden.
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In 4 ist ein Festkörperaktuator 30 mit einem Aktuatorelement 32 und dem Rohrelement 10 dargestellt. Das Aktuatorelement 32 ist innerhalb des Rohrelements 10 angeordnet, so dass das Rohrelement 10 als Gehäuse für das Aktuatorelement 32 dient. Vorzugsweise weist das Aktuatorelement 32 einen Piezokörper mit einem Stapel piezoelektrischer Elemente auf. Die geringe thermische Ausdehnung des Rohrelements 10 kann der geringen thermischen Ausdehnung des Piezokörpers gut angepasst sein. Der hohe Elastizitätsmodul des Gewebes 18 in Richtung der Längsachse A kann gut an die geringe axiale Ausdehnung des Stapels der Piezoelemente beim Anlegen einer elektrischen Spannung an Kontaktelemente des Piezokörpers angepasst sein.
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In dem Gewebe 18 ist weiter eine Dichtungsmasse ausgebildet, die aus einem Kunststoff besteht, der unter vorgegebenen Bedingungen ausgehärtet ist. Besonders bevorzugt ist der Kunststoff der Dichtungsmasse ein Epoxydharz, ein Polyesterharz oder ein Silikonharz. Mittels der Dichtungsmasse des Rohrmantels 12 kann eine gute Dichtheit des Rohrelements 10 gegenüber Flüssigkeiten und Gasen erreicht werden. Besonders bevorzugt ist, wenn der Kunststoff der Dichtungsmasse im Epoxidharz ist, das im Bereich der üblichen Raumtemperaturen aushärten kann. Die gute Dichtheit des Rohrelements 10 gegenüber Flüssigkeiten und Gasen kann insbesondere zum Schutz des Piezokörpers vor Fluiden dienen, wenn das Rohrelement 10 als Gehäuse für das Aktuatorelement 32, insbesondere den Piezokörper mit piezoelektrischen Elementen eingesetzt wird.
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Das Herstellen des Rohrelements 10 kann derart erfolgen, dass zunächst das Gewebe 18 aus den aus Kohlenstofffasern gebildeten Kettfäden 20 und den Schussfäden 22 gewebt wird. Anschließend wird der Rohrmantel 12 mit einer Dichtungsmasse versehen, in dem diese beispielsweise durch Lackieren, Tränken oder Beschichten auf das Gewebe 18 aufgebracht wird, und anschließend die Dichtungsmasse mit dem Gewebe 18 verbacken wird, so dass die Dichtungsmasse aushärtet. Vorzugsweise erfolgt das Aushärten der Dichtungsmasse unter Zugbelastung des Gewebes 18. Es ist so möglich, ein Spiel des Gewebes 18 um die Nulllage innerhalb des Gewebes 18 auszuschließen.
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Bei der Verbindung zwischen den aus Kohlenstofffasern gebildeten Kettfäden 20 und den Ringelementen 14, 28 ist es vorteilhaft, wenn zwischen den Ringelementen 14, 28 und den Kettfäden 20 keine weiteren Elemente, insbesondere aus Kunststoff, angeordnet sind, um so sehr gute elastische und thermische Eigenschaften des Gewebe 18 zu erreichen.
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In 5 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer Kopplung zwischen einer Kohlenstofffaser 90 und einem metallischen Element 92 gezeigt.
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In einem ersten Schritt S10 wird das Verfahren zur Herstellung der Kopplung zwischen der Kohlenstofffaser 90 und dem metallischen Element 92 gestartet.
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In einem weiteren Schritt S12 werden die Kohlenstofffaser 90 und das metallische Element 92 bereitgestellt.
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In einem weiteren Schritt S14 wird auf die Kohlenstofffaser 90 abschnittsweise eine Metallschicht 94 aufgebracht. Vorzugsweise erfolgt das Aufbringen der Metallschicht 94 auf die Kohlenstofffaser 90 mittels Galvanisieren. Es kann so eine sehr einfache Methode zur Beschichtung der Kohlenstofffaser mit einem Metall genutzt werden.
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In einem weiteren Schritt S16 wird die Kohlenstofffaser 90 in dem Abschnitt, in dem die Metallschicht 94 aufgebracht ist, mit dem metallischen Element 92 stoffschlüssig gekoppelt. Vorzugsweise erfolgt das stoffschlüssige Koppeln der Kohlenstofffaser 90 mit dem metallischen Element 92 mittels eines Lots 96. Es kann so eine einfache Methode zur Kopplung der Kohlenstofffaser 90 mit dem metallischen Element 92 eingesetzt werden.
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In einem Schritt S18 endet das Verfahren zur Herstellung einer Kopplung zwischen einer Kohlenstofffaser 90 und dem metallischen Element 92.
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Ist die Kohlenstofffaser 90 insbesondere der Kettfaden 20 des Rohrelements 10, und das metallische Element 92 eines der Ringelemente 14, 28 des Rohrelements 10, so kann mittels des dargestellten Verfahrens eine besonders einfache Kopplung zwischen dem Kettfaden 20 und den Ringelementen 14, 28 erreicht werden. Insbesondere ist eine gute Kraftübertragung zwischen dem Kettfaden 20 und den Ringelementen 14, 28 möglich, da durch das vorgestellte Verfahren das Auftreten von nichtmetallischen Bauteilen im Kraftweg zwischen dem Kettfaden 20 und den Ringelementen 14, 28 vermieden werden kann.
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Die Erfindung ist nicht auf die angegebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist es möglich, die Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele miteinander zu kombinieren, so dass auch derartige Anordnungen von der Erfindung umfasst sind.