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Technisches
Gebiet der Vorrichtung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Bohren
von Leiterplatten für elektronische
Geräte,
Apparate und Einrichtungen. Durch die Bohrungen können durchgehende
Löcher gebildet
werden. Dabei ist die Bohrvorrichtung dazu geeignet, mehrere zu
Stapeln übereinandergeschichtete
Leiterplatten zu durchbohren, wobei die Bohrspäne wirksam entfernt werden
müssen,
um eine ausreichende Kühlung
der Bohrer sicher stellen zu können,
die für
die Qualität
der Bohrarbeit wesentlich verantwortlich ist.
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Stand der
Technik
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Die
in elektronischen Geräten,
Apparaten und Einrichtungen eingesetzten Leiterplatten sind mit durchgehenden
Löchern
versehen, um elektrische Verbindungen zwischen einzelnen Schaltungen
der Leiterplatten herstellen zu können. Die Löcher werden in der Regel mit
Bohrern hergestellt. Die Bohrer sind üblicherweise am vorderen Ende
einer Spindel gehalten, die höhenverstellbar
ausgebildet ist. Dabei ist ein in der Senkrechten beweglich ausgebildeter Stempel
vorhanden, mit dem der zu durchbohrende Leiterplattenstapel beim
Bohrvorgang in der Umgebung der auszuführenden Bohrung von oben gegen die
Auflagefläche
einer Werkbank fest angedrückt werden
kann. Der Stempel enthält
an seinem unteren, dem Leiterplattenstapel zugewandten Boden einen
auswechselbar ausgebildeten Ringkörper, der ein zentrales Loch
zum freien Durchgang des Bohrers aufweist. Mit diesem auswechselbar
ausgebildeten Ringkörper
am unteren Boden des vertikal verstellbaren Stempels kann sicher
gestellt werden, dass der Leiterplattenstapel in der Umgebung des
zu bohrenden Loches während
des Bohrvorganges fest gegen die Auflagefläche der Werkbank gedrückt gehalten
wird (vgl. nachstehende Literaturstelle 1)
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In 13 der
vorliegenden Anmeldung ist eine bekannte Vorrichtung zum Bohren
eines Werkstückes 1 gezeigt.
Die bekannte Vorrichtung umfaßt eine
Werkbank 2 mit einer flachen Auflagefläche, auf der das Werkstück 1 liegt,
das hier aus mehreren zu einem Leiterplattenstapel übereinandergeschichteten
Leiterplatten 11 besteht. Ein Vertikal verstellbarer Stempel
ist mit 3 bezeichnet, mit dem der Leiterplattenstapel in
der Umgebung des zu bohrenden Loches beim Bohrvorgang von oben gegen
die Auflagefläche
der Werkbank 2 fest angedrückt gehalten wird. Eine Hubvorrichtung
ist mit 7 bezeichnet, mit der der Stempel 3 zusammen
mit einer Spindel 6 und einem am unteren Ende der Spindel 6 gehaltenen
Bohrer 5 vertikal angehoben und abgesenkt werden kann.
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Auf
der obersten Leiterplatte 11 des Leiterplattenstapels befindet
sich eine Deckplatte 12 und unterhalb der untersten Leiterplatte 11 des
Leiterplattenstapels befindet sich eine Bodenplatte 13,
die auf der Auflagefläche
der Werkbank 2 liegt. Der von der Deckplatte 12 und
der Bodenplatte 13 beidseitig begrenzte Leiterplattenstapel
wird durch der Stempel 3 von oben gegen die Auflagefläche der
Werkbank 2 gedrückt,
wobei, wie in der vorstehend erwähnten
Literaturstelle 1 beschrieben, ein Ringkörper 4 aus
Metall oder Kunststoff mit seinem zentralen Loch zum Durchgang des
Bohrers am freien unteren Ende des Stempels beliebig auswechselbar
festgehalten ist. Über
den Ringkörper
wird der jeweilige Leiterplattenstapel während des Bohrvorganges mit
ausreichender Stärke
gegen die Werkbank gedrückt.
Hierzu wird die Hubvorrichtung 7 auf eine vorbestimmte
Hohe abgesenkt. Dabei drückt
der Ringkörper 4 mit
Hilfe eines nicht gezeigten Federmechanismus in Verbindung mit der
Hubvorrichtung mit einem vorbestimmten Anpreßdruck von oben gegen das Werkstück 1 auf
der Auflagefläche
der Werkbank 2 gedrückt.
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In
diesem Zustand wird die Spindel 6 abgesenkt, und mit dem
Bohrer 5 am unteren Ende der Spindel 6 wird in vorbestimmter
Weise ein Loch in das Werkstück 1 gebohrt.
Die bei der Bohrarbeit anfallenden Späne werden, wie nachstehend erläutert, über eine
Austrittsöffnung 8 an
einer äußeren Seitenfläche des
hohl ausgebildeten Stempels 3 mittels einer nicht dargestellten
Saugvorrichtung zusammen mit Luft abgesaugt. Dabei befinden sich
zur Absaugung der Späne
aus dem Bohrloch an der äußeren seitlichen
Ringfläche
des Ringkörper 4 von
außen nach
innen durchgehende Kanäle 10 (14),
die die äußere Umgebung
des Ringkörpers 4 an
das zentrale Loch 9 im Ringkörper 4 zum Durchgang
des Bohres 5 anschließen,
so dass mittels einer Saugvorrichtung an der Austrittsöffnung 8 Luft
aus der äußeren Umgebung
des Ringkörpers 4 über die
Kanäle 10 ein
zentrales Loch 9 und den anschließenden Hohlraum des Stempels 3 zusammen
mit den Bohrspänen
abgesaugt werden kann.
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14 zeigt
die beispielsweise Ausbildung eines Ringkörpers 4 in 14(1)
im Längsschnitt und
in 14(2) entlang den Linien X-X im Querschnitt. Der
Ringkörper 4 besitzt
mehrere von außen nach
innen durchgehende Kanäle 10,
die an den Umfang der zentralen Bohrdurchgangsöffnung 9 des Ringkörpers 4 in
gleicher Weise exzentrisch etwas versetzt anschließen, so
dass beim Bohrvorgang, bei dem der Ringkörper 4 gegen das Werkstück 1 drückt, durch
das Absaugen von Luft über
die seitliche Auslaßöffnung 8 mit
Hilfe einer Saugvorrichtung ein um den Bohrer kreisender Luftwirbel
erzeugt wird, der verhindern soll, dass die Bohrspäne an dem
Bohrer 5 haften bleiben.
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Die
Wirbelströmung
dient auch zur Kühlung des
Bohrers 5, um zu verhindern, dass ein Bohrer mit erhöhter Temperatur
den Kunststoff, aus dem die Leiterplatten bestehen, an bestimmten
Stellen in nachteiliger Weise zum Erweichen bringt und dabei die Leiterplatten
beschädigt.
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Wenn
die Späne
am Bohrer 5 nicht wirksam abgesaugt werden, kommt es leicht
zum Bruch des Bohrers 5. Es ist deshalb besonders wichtig,
dass die Luftwirbelströmungen
derart auf den Bohrer gelenkt werden, dass die Späne im ausreichenden
Maße abgesaugt
werden können
und der Bohrer 5 damit auch ausreichend gekühlt werden
kann.
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Zur
Entfernung der Bohrspäne
ist eine Konstruktion bekannt, über
einen Luftzuführungskanäle am unteren
Ende des Stempels Luft in den Bereich des Bohrers zuzuführen, um
dabei die Bohrspäne wegzublasen
(vgl. Nachstehende Literaturstelle 2). Es ist auch ein Vorschlag
bekannt geworden, bei dem zwei verschiedene Druckluftquellen vorgesehen sind.
So befindet sich an der unteren Bodenfläche des Stempels eine Membran,
die zwischen sich und der Bodenfläche des Stempels einen den
Bohrbereich umschließenden
Ringraum druckdicht abschließt,
der an eine der Druckluftquellen angeschlossen ist, um über die
Membran einen vorbestimmten Anpreßdruck auf das zu durchbohrende Werkstück abzugeben,
während
die zweite Druckluftquelle an Zuführungskanäle im Bereich des Bohres angeschlossen
ist, um die Bohrspäne
am Bohrer wegzublasen (vgl. nachstehende Literaturstelle 3). Außerdem ist
eine Konstruktion vorgeschlagen worden, bei der ein Flüssigkeitsnebel
in den Bereich des Bohres zu seiner Kühlung geblasen wird (vgl. nachstehende
Literaturstellen 4 und 5).
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Es
ist weiterhin eine Konstruktion bekannt geworden, bei der ein separater
Luftzuführungskanal bis
in den Bereich des Bohres geführt
ist, der zum Wegblasen der Bohrspäne geöffnet wird, wenn die Spannvorrichtung
nach der Bohrung angehoben wird (vgl. nachstehende Literaturstelle
6). Darüber
hinaus ist eine Konstruktion bekannt geworden, bei der der Luftzuführungskanal
mittels eines Federmechanismus bei der Aufwärtsbewegung der Spannvorrichtung
geöffnet
wird, wobei der Luftzuführungskanal
in einem Ringkörper
am unteren Ende der Spannvorrichtung angeordnet ist (vgl. nachstehende
Literaturstelle 7).
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[Literaturstelle 1]
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- Offenlegungsschrift der japanischen Patentanmeldung Hei
5-285891
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[Literaturstelle 2]
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- Offenlegungsschrift der japanischen Patentschrift Sho 63-300807
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[Literaturstelle 3]
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- Offenlegungsschrift der japanischen Patentschrift Hei 3-3713
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[Literaturstelle 4]
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- japanische Patentschrift 351376
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[Literaturstelle 5]
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- japanische Gebrauchsmusteranmeldung Hei 6-17847
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[Literaturstelle 6]
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- japanische Patentanmeldung 2000-5910
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[Literaturstelle 7]
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- Patentanmeldung 2004-130454
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Nachteile
des Standes der Technik und Aufgabe der vorliegenden Erfindung
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Der
Anmeldungsgegenstand nach der vorstehenden Literaturstelle 1, bei
der der Ringspalt zwischen dem Bohrer und dem Bohrerdurchgangsloch im
Ringkörper
am unteren Ende des Stempels möglichst
eng gehalten wird und der Leiterplattenstapel über den Ringkörper beim
Bohrvorgang fest an die Auflagefläche der Werkbank angepresst
werden kann, damit die Gradbildung in der Umgebung eines Durchgangsloches
durch den Plattenstapel weitgehend unterdrückt werden kann, gleichzeitig
aber auch die Späne
durch den beim Absaugen von Luft im Bereich des Bohres entstehenden
Wirbelstrom zusammen mir der angesaugten Luft ausgetragen werden
sollen, erwies sich als wenig effektiv, was die Absaugung der Späne betrifft.
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Bei
den im vorstehenden Stand der Technik (2) und (3) offenbarten Konstruktionen
werden zwar befriedigende Kühlungen
der Bohrer erreicht. Die Entfernung der Bohrspäne durch Einblasen von Druckluft
birgt die Gefahr, dass Bohrspäne
wegen mangelnder Regulierung der Luftzuführung auf die Leiterplatten
geblasen werden können.
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Bei
dem vorstehenden Stand der Technik (4) und (5) besteht die Gefahr,
dass durch die der Luft zugesetzte Flüssigkeit die Späne im Innern
des Stempels haften bleiben und damit eine effektive Absaugung der
Späne oder
Entstaubung der Anlage verhindert wird.
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Um
diese Nachteile zu beheben, kann der freie Luftspalt zwischen dem
Bohrer nahe seiner Spitze und dem engen Bohrdurchgangsloch in dem
Ringkörper
am unteren Ende des Stempels zur Erzielung einer erhöhten Luftströmung weiter
verengt werden. Wenn zum hinteren Ende des Bohrers hin das Loch trichterförmig im
Ringkörper
erweitert ist, wird der Luftstrom mit einer erhöhten Luftgeschwindigkeit in dem
engen Luftspalt zwischen der das Loch umgebenden Wand und dem Bohrer
beim Übergang
in das trichterförmig
erweiterte Loch abgekühlt,
wodurch der Bohrer mit erhöhter
Effektivität
gekühlt
werden kann. Dabei besteht aber das Problem dass der Luftdruck beim
Absaugen der Luft über
eine seitliche Öffnung
in dem Stempel erniedrigt wird, so dass der Leiterplattenstapel
mit den übereinandergeschichteten Leiterplatten
in nachteiliger Weise angesaugt wird.
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Die
Konstruktionen beim obigen Stand der Technik enthalten separate
Luftaustrittsöffnungen, die
erst geöffnet
werden, wenn die Spannvorrichtung nach einem Bohrvorgang angehoben
wird. Hierdurch läßt sich
ein Ansaugen des Leiterplattenstapels durch Druckabfall im zur Absaugung
gelangenden Luftstrom vermeiden.
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In
jüngster
Zeit setzt sich der Trend zur Miniaturisierung von Leiterplatten
weiter fort, was die Ausbildung von Bohrlöchern in den Leiterplatten
mit extrem kleinen Bohrlochdurchmessern (z.B. 0,2 mm) erforderlich
macht. Hierbei häufen
sich Brüche
von Bohrern, weil die sich an einem Bohrer anheftenden Bohrspäne nicht
ausreichend beseitigt werden können,
wobei auch die Kühlung
der Bohrer unbefriedigend ist. Es besteht daher ein dringendes Bedürfnis, die
Beseitigung der Bohrspäne
und zugleich die Kühlung
der Bohrer, insbesondere auch bei Löchern mit Bohrdurchmessern
von z.B. 0,2 mm in Leiterplattenstapeln aus miniaturisierten Leiterplatten,
im Vergleich zum Stand der Technik mit wesentlich erhöhter Effektivität mit vertretbaren
technischen Aufwand sicher gelöst
zu bekommen.
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Der
Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum
Bohren von Leiterplattenstapeln – auch aus miniaturisierten
Leiterplatten – anzugeben,
die die Nachteile des Stand der Technik durch wesentlich erhöhte Kühlleistung
gegenüber den
Bohrern (insbesondere auch bei Bohrlochdurchmessern von z.B. 0,2
mm ) bei gleichzeitig erhöhtem Austrag
von Bohrspänen
sicher vermeidet.
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Erfindungsgemäße Lösung der
Aufgabe
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen
des Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungen
nach der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche und/oder
der Beschreibung.
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Die
Erfindung betrifft eine Bohrvorrichtung zum Bohren von Löchern in
Leiterplatten für
elektronische Geräte,
Apparate und Einrichtungen, wobei mehrere Leiterplatten zu einem
Stapel übereinander geschichtet
ein zu bohrendes Werkstück
auf einer Werkbank bilden und ein in der vertikalen beweglich ausgebildeter
Stempel zum Andrücken
des Werkstückes
von oben gegen die Auflagefläche
der Werkbank vorgesehen ist, wobei an den Boden des Stempels ein
beliebig auswechselbarer Ringkörper
mit einer zentralen Ausnehmung zum Durchgang des Bohrers gehalten
ist, und der Ringkörper
zum Andrücken des
Werkstückes
gegen die Auflagefläche
der Werkbank in einem gewählten
engen Bohrbereich zur Gewährleistung
einer sicheren Bohrung geeignet ausgebildet ist.
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Die
vorstehende Vorrichtung ist hierzu erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass
der Ringkörper
zum Entfernen von Bohrspänen
am Bohrer in zwei getrennten radialen Ebenen mit gewähltem axialem
Abstand voneinander jeweils mehrere Kanäle aufweist, die zum Anschluß der Luft
außerhalb
des Stempels in die zentrale Ausnehmung des Ringkörpers vom äußeren seitlichen
Umfang des Ringkörpers
zur zentralen Ausnehmung des Ringkörpers verlaufen und dort in
dem gewählten
axialen Abstand an die Ausnehmung dergestalt zum Anschluß gebracht
sind, dass durch Ansaugen von Luft aus der Umgebung des Stempels über seinen
Hohlraum die durch erste Kanäle
in der radialen oberen Ebene angesaugte Luft in einem ersten oberen
Abschnitt des Bohrers eine erste obere Wirbelströmung um den Bohrer bildet und
die gleichzeitig durch zweite Kanäle in der radial unteren Ebene
angesaugte Luft in einem zweiten unteren Abschnitt des Bohrers im
Bereich seiner Bohrspitze eine zweite untere Wirbelströmung um
den Bohrer bilden.
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Vorteilhaft
besteht die Ausnehmung des Ringkörpers
zum Durchgang des Bohrers im unteren, dem Werkstück zugewandten Bereich aus
einer zylindrischen Bohrung mit einem gewählten relativ engen Durchmesser,
die in einem vom Werkstück
abgewandten anschließenden
oberen Bereich zur Anschlußöffnung des
Ringkörpers
am Boden des Stempels hin in vorbestimmter Weise kegelförmig erweitert
ist und wobei die von außen
nach innen sternförmig
verlaufenden ersten Kanäle
in einem oberen kegelförmig
erweiterten Bereich der Ausnehmung des Ringkörpers außerhalb ihres unteren zylindrischen Bereiches
anschließen
und die von außen
nach innen sternförmig
verlaufenden zweiten Kanäle
an den unteren zylindrischen Bereich der Ausnehmung nahe dem Werkstück anschließen, wobei
die Anzahl der ersten und zweiten Kanäle und ihre Luftdurchlaßquerschnitte
sowie ihre Anschlüsse
an die Ausnehmung des Ringkörpers
in Bezug zum Durchmesser und der axialen Länge des zylindrischen Bereichs des
Ringkörpers
sowie der Art seiner kegelförmigen Erweiterung
und dem Saugdruck an einer seitlichen Wandöffnung zum hohlen Innenraum
des Stempels derart gewählt
sind, dass die über
die ersten Kanäle in
die Ausnehmung des Ringkörpers
zugeführte
Absaugluft eine solche erste Wirbelströmung im Bereich der kegelförmigen Erweiterung
bildet und dabei einen solchen Druckabfall aufweist, dass die Späne aus dem
Bohrbereich über
dem hohlen Stempel optimal zur Austragung gelangen und dass die über die zweiten
Kanäle
zugeführte
Luft eine solche zweite Wirbelströmung im Bereich des zylindrischen
Anschnittes der Ausnehmung nahe der Bohrerspitze mit vergleichsweise
hoher Luftgeschwindigkeit bildet, dass einerseits ein Anhaften der
Bohrspäne
an dem Bohrer verhindert wird und andererseits durch adiabatische
Expansion der Wirbelströmung
eine wirksame Kühlung
des Bohrers erzielbar ist.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
kann vorteilhafterweise derart ausgebildet sein, dass die zweiten
Kanäle
in dem dem Werkstück
zugewandten Boden des Ringkörpers
aus Nuten mit vorbestimmten Ausmaßen bestehen, die durch das
Aufsetzen des Ringkörpers
auf dem Werkstück
geschlossene Kanäle
bilden, über die
im zylindrischen Bereich der Ausnehmung eine hohe Wirbelstromgeschwindigkeit zur
sicheren Ablösung
der Bohrspäne
von der Bohrerspitze und eine ausreichende Abkühlung des Bohrers erreicht
wird.
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Dies
läßt sich
erfindungsgemäß auch dadurch
erzielen, dass die zweiten Kanäle
als Bohrungen ausgebildet sind, die sich in einer radialen Ebene des
Ringkörpers
nahe dem Werkstück
von der seitlichen Außenwand
des Ringkörpers
durchgehend bis in seinen zylindrischen Bereich erstrecken.
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Vorteilhafterweise
ist die erfindungsgemäße Vorrichtung
derart ausgebildet, dass die Summe der Querschnitte der zweiten
Kanäle
kleiner ist als die Summe der Querschnitte der ersten Luftkanäle, so dass
mittels der zweiten Kanäle
eine relative hohe Wirbelstromgeschwindigkeit im zylindrischen Bereich der
Ausnehmung des Ringkörpers
weitgehend nahe der Spitze des Bohrers erzielt werden kann. Dabei können die
gleich großen
offenen Querschnitte der ersten Kanäle jeweils wesentlich größer sein
als die offenen Querschnitte der zweiten Kanäle, wobei die Anzahl der ersten,
z.B. 8, sternförmig
angeordneten ersten Kanäle
größer, z.B.
doppelt so groß sein
kann, wie die zweiten Kanäle
und, wobei die ersten und entsprechend die zweiten Kanäle an die
kreisförmige Ausnehmung
gegenüber
ihrer axialen Mitte zur Erzielung von in gleicher Drehrichtung drehenden
ersten und zweiten Wirbelströmungen
jeweils um das gleiche Maß versetzt
anschließen.
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Es
kann weiterhin von Vorteil sein um den zylindrischen Umfang des
Ringkörpers
im Bereich der äußeren Eintrittsöffnungen
der ersten Kanäle
ein Stellring verdrehbar anzuordnen, der Öffnungen im Querschnitt der
Eintrittsöffnungen
der ersten Kanäle oder
größer aufweist,
wobei in einer Ausgangsstellung die Öffnungen in dem Stellring mit
ihrem vollen Querschnitten ungedrosselt vor den Eintrittsöffnungen
der ersten Kanäle
zu liegen kommen und der zur Regulierung der in gleicher Weise gedrosselten
Eintrittsöffnungen
der ersten Kanäle
radial verdrehbar ausgebildet ist, wobei der Stellring in Abhängigkeit von
der Drehstellung die Eintrittsöffnungen
der ersten Kanäle
mehr oder weniger gedrosselt frei gibt und damit die über den
Innenraum des Stempels angesaugte Luftmenge entsprechend den geforderten Verhältnissen
einstellbar ausgebildet werden kann.
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Vorteile der
Erfindung
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Ein
wesentlichen Vorteil der Erfindung besteht auch darin, dass in dem
Ringkörper
am Boden des Stempels zum Anpressen einer oder mehrerer übereinander
gestapelter Leiterplatten und mit einer zentralen Öffnung zum
Durchgang des Borhers radiale erste oder zweite Luftzuführungskanäle in zwei voneinander
getrennten radialen Ebenen angeordnet sind, über die von außen Luft
jeweils mit wählbarem Druck
angesaugt werden kann, um axial unterschiedliche Bereiche des Bohrers
mit zirkulierender Luft in gezielter Weise zur Kühlung des Bohrers und zur Entfernung
von Bohrspänen
druckgesteuert zu umspülen,
wobei entsprechend den jeweiligen Kühlungs- und Späneabführerfordernissen
in beiden axialen Bereichen des Bodens die Ansaugquerschnitte der
ersten Luftzuführungskanäle entsprechend
gewählt
sind.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung
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Im
folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele
für die
erfindungsgemäße Vorrichtung zum
Bohren von Leiterplatten erläutert.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Bohren
von Leiterplatten zu liefern, mit deren Hilfe die Entfernung von
Spänen
und die Kühlung
des Bohrers wirkungsvoll durchgeführt werden können. Dies
wurde bisher in der Weise erreicht, dass am unteren Ende des senkrecht
auf- und abbewegbaren Stempels ein Ringkörper abnehmbar gehalten ist.
In einer oberen ersten radialen Ebene des Ringkörpers befinden sich mehre erste
Luftzuführungskanäle, über die
von außen
wählbare
Luftmengen in das Zentrum des Ringkörpers zum Durchführen des
Bohrers geführt
wird, wobei eine erste Wirbelströmung
den Bohrer in einem mittleren Bereich umspült und dass sich in einer unteren
zweiten radialen Ebene des Ringkörpers,
die dem Leiterplattenstapel zugewandt ist, mehrere zweite Luftzuführungskanäle befinden, um
eine zweite Wirbelströmung
im Zentrum des Ringkörpers
abzugeben, die den Bohrer in einem unteren, der Bohrspitze nahen
Bereich umspült,
wobei die Verhältnisse
der Luftmengen der beiden Luftwirbelströmungen zueinander wählbar sind.
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Da
der gesamte Aufbau der Vorrichtung zum Bohren von Leiterplatten
bereits anhand von 15 beschrieben ist, erübrigt sich
eine Wiederholung. Unter Bezugnahme auf 1 bis 3 wird
nachfolgend lediglich der am unteren Ende des Stempels lösbar befestigte
Ringkörper 4 näher beschrieben.
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1(1)
zeigt einen Ausschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ringkörpers 4A. 1(2)
zeigt einen radialen Querschnitt entlang den Linien A-A in 1(1).
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In
dem Ringkörper 4A sind
in einer radialen Ebene eine Vielzahl von ersten Luftkanälen 41 vorhanden
(acht Kanäle
im vorliegenden Beispiel), die von der äußeren Umfangsfläche des
Ringkörpers
bis zur zentralen Ausnehmung des Ringkörpers verlaufen. Mit Hilfe
der ersten Kanäle 41 wird
Luft von außerhalb
des Stempels 3 über
die zentrale Ausnehmung des Ringkörpers ins Innere des Stempels
angesaugt, um eine erste Wirbelströmung im Zentrum des Ringkörpers (3)
zu bilden. An der dem Leiterplattenstapel 11 zugewandten
Bodenfläche
befinden sich Nuten (4 Nuten im vorliegenden Falle), die bei Auflage
auf dem Leiterplattenstapel 11 zweite radiale Kanäle 42A bilden.
Durch Ansaugen von Luft von Außen
bilden sich im Zentrum des Ringkörpers 4A eine
zweite Wirbelströmung
nahe der hier nicht gezeigten Bohrerspitze. Die Kanäle 41 und 42A schließen jeweils
exzentrisch an die zentrale Ausnehmung des Ringkörpers 4A an, die aus
einer dem Leiterplattenstapel zugewandten relativ engen zylindrischen
Bohrung zum Hohlraum des Stempels trichterförmig erweitert ist.
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2(1)
zeigt einen Abschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ringkörpers. 2(2)
zeigt einen radialen Querschnitt entlang den Linien B-B in 2(1).
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In
dem Ringkörper 4B in 2 befinden sich,
entsprechend wie in dem Ringkörper 4A in 1,
eine Vielzahl von ersten Kanälen 41 (acht
Kanäle
im vorliegenden Beispiel), die von der äußeren Umfangsfläche des
Ringkörpers
bis in die zentrale Ausnehmung des Ringkörpers reichen. Mit Hilfe der ersten
Kanäle 41 in
einer oberen ersten radialen Ebene wird auch hier die Luft von außerhalb
des Stempels 3 ins Innere angesaugt, um eine erste obere
Wirbelströmung
im Zentrum des Ringkörpers
zu bilden. Dem Leiterplattenstampel 1 zugewandt befinden
sich in einer zweiten radialen Ebene des Ringkörpers zweite Kanäle 42B,
die vom äußeren Umfang
des Ringkörpers
bis in die zentrale Ausnehmung des Ringkörpers geführt wird. Durch die zweiten
Kanäle 42B wird
von Außen
Luft angesaugt, wobei im Zentrum des Ringkörpers im Bereich seines engen
zylindrischen Durchlasses für
den Bohrer eine zweite Luftwirbelströmung nahe der Bohrerspitze
gebildet wird.
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Die
Ringkörper 4A und 4B in 1 und 2 weisen
jeweils das Merkmal auf, dass die Querschnittssumme der zweiten
Luftkanäle 42A bzw. 42B wesentlich
kleiner ist als die der ersten Kanäle 41 wobei die zweiten
Kanäle 42A und 42B in
der Nähe
der Spitze des Bohrers 5 an den zylindrischen Abschnitt
der Ausnehmung 9 des Ringkörpers anschließen.
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3 zeigt
im Achsschnitt den senkrecht auf- und abbewegbaren Stempel 3,
an dem an seinem unteren Ende der Ringkörper 4B lösbar befestigt ist.
Da die Querschnittssumme der zweiten Känale kleiner ist als die der
ersten Luftkanäle 41,
tritt die über
beide Luftkanäle 41 und 42 gleichzeitig
von Außen
angesaugte Luft in den zweiten Luftkanälen 42B mit höherer Strömungsgeschwindigkeit
in die zentrale Ausnehmung des Ringkörpers 4B 9 aus und
bildet dort eine Wirbelströmung
mit vergleichsweise höherer
Geschwindigkeit nahe der Bohrerspitze als die Luft, die aus den
ersten Kanälen 41 austritt.
Durch die hohe Wirbelstromgeschwindigkeit im Bereich der Bohrerspitze
wird verhindert, dass sich Bohrspäne an der Bohrerspitze festsetzen.
Unter der adiabatischen Ausdehnung der Luft aus den Kanälen 42A und 42B in
der zylindrischen Ausnehmung wird der Bohrer 5 wirksam
gekühlt.
Das gilt insbesondere für die
Luft aus den Kanälen 42B.
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Die
angesaugte Luft aus den ersten Kanälen 41 bildet eine
größere zweite
Wirbelströmung
axial oberhalb der ersten Wirbelströmung die von der Luft aus den
zweiten Kanälen 42B gebildet
wird, wobei die durch die ersten Kanäle 41 gebildete Wirbelströmung es
ermöglicht,
die Späne
aus einer seitlichen Auslassöffnung 8 des
Stempels 3 effizient nach außen abzusaugen. Wenn mit der
aus den zweiten Luftkanälen 42B austretenden
Luft eine überhöhte Druckreduzierung
verursacht wird, übernimmt
die Luft aus den Luftkanäle 41 eine
ausgleichende Funktion zur Regulierung der Wirbelströmungen.
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Da
die Kanäle
in dem Ringkanal erfindungsgemäß so ausgebildet
sind, dass zwei axial übereinanderliegende
Wirbelströmungen
entstehen, von der die bohrspitzennahe untere Wirbelströmung eine
relativ höhere
Geschwindigkeit besitzt als die obere Wirbelströmung im Bereich des Bohrers
oberhalb seiner Spitze, ist das Querschnittverhältnis der ersten Kanäle 41 zu
den zweiten Kanälen 42B in
dem Ringkörper 4B erfindungsgemäß vorzugsweise
erfindungsgemäß so bemessen,
dass die Querschnittssumme der zweiten Luftkanäle 42B bei 10~50%
der Querschnittssumme der ersten Luftkanäle 41 liegt.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
nach 3 werden entsprechende Wirbelströmungen wie
mit dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
nach 2 erzielt, auch wenn die Nuten 42A in 1 durch
Kanäle 42B in 3 ersetzt
sind. Die Anzahl der ersten Kanäle 41 sowie
die Anzahl der zweiten Luftkanäle 42A und 42B in 1 bzw. 3 sind
nicht auf die hier angegebenen Anzahlen beschränkt, solange die vorstehend
angegebenen Kanalquerschnittsverhältnisse im wesentlichen eingehalten
sind.
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Es
gibt Leiterplattenwerkstoffe bei denen die Bohrspäne besonders
leicht an dem Bohrer anhaften können.
In einem solchen Fall können
erfindungsgemäß Wirbelströmungen mit
weiter höheren
Geschwindigkeiten in der Nähe
der Bohrerspitze erzeugt werden.
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So
können
erfindungsgemäß für jede Werkstoffart
der Leiterplatten die Summe der Querschnittsverhältnisse der ersten Kanäle 41 zu
der Summe der Querschnitte in den zweiten Kanälen 42A oder 42B bestimmt
werden, um für
jede Werkstoffart einen besonders geeigneten Ringkörper 4 einzusetzen
zu können.
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Um
die Anzahl der verschieden Ringkörper in
Abhängigkeit
von der Materialwahl der Leiterplatten möglichst klein zu halten, kann
erfindungsgemäß ein Ringkörper 4 verwendet
werden, bei dem die ersten Luftkanäle 41 ausreichend
groß definiert
sind, die erfindungsgemäß mit einem
Absperrmechanismus auf die gewünschte
Querschnittsgroße
gedrosselt werden können,
so dass für
eine Reihe von wichtigen bzw. häufig
benutzten Werkstoffen nur ein Ringkörper notwendig ist.
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Wie
in 4 in einem Radialschnitt am Umfang eines erfindungsgemäßen Ringkörpers 4C eine zylindrische
Absperrhülse 43 an
dem Ringkörper 4C drehbar
angebracht. Der Stellring 43 weist eine Vielzahl von Öffnungen 44 auf,
die die gleichen oder etwas größeren Querschnitte
wie die ersten Luftkanäle 41 aufweisen.
In einer bestimmten Drehstellung gegenüber dem Ringkörper 4C befinden
sich die Öffnungen 44 an
dem Stellring 43 in Deckung mit den Eintrittsöffnungen
der ausreichend groß bemessenen
ersten Kanäle 41.
Wenn der Stellring 43 beispielsweise mittels einer Positioniereinrichtung
wie z.B. einem Servomotors (nicht dargestellt) gedreht wird, ändert sich
die Überlappung
der Eintrittsöffnungen
der ersten Kanäle 41 mit
den Öffnungen 44,
so dass der Öffnungsquerschnitt
der ersten Kanäle 41 beliebig
gewählt
werden kann. In 4 sind die zweiten Kanäle 42A bzw. 42B nicht
dargestellt.
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Es
kann bei den Ringkörper 4A, 4B und 4C nach
den 1 bis 4 vorteilhaft sein, an den auf dem
Leiterplattenstoß aufliegenden
Bodenflächen des
Ringkörpers
eine Schicht aus einem elastischen Material wie z.B. Gummi oder
Kunststoff anzubringen, wodurch der Ringkörper 4A, 4B oder 4C am
zu bohrenden Werkstück
haftend anliegt, damit gewährleistet
werden kann, dass der Ringkörper
an dem Werkstück
aus einem Leiterplattenstapel 11 luftdicht anschließt. Auf
diese Weise können überflüssige Luftströmungen auf
der Oberfläche
des Leiterplattenstapels vermieden werden. Wenn ein erfindungsgemäßer Ringkörper 4A, 4B oder 4C komplett
aus einem elastischen Material hergestellt ist, insbesondere die
Ringkörper 4B nach 2 und 3,
so lassen sich die Kanäle 42B ohne
größeren Aufwand herstellen.
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Zum erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
nach 1
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5 zeigt
ein Photo der unteren Fläche
eines beim Ausführungsbeispiel
1 eingesetzen Ringkörpers.
Die vier Nuten 42A zur Bildung der zweiten Luftkanäle weisen
eine Breite von 0,3 mm und eine Tiefe von 0,5 mm auf. Dabei beträgt im Beispielsfall die
Querschnittssumme der zweiten Luftkanäle 42A 20 % der Querschnittssumme
der ersten Luftkanäle 41.
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Mit
einem solchen Ringkörper
wurden Bohrversuche mit 150 Bohrern durchgeführt, wobei kein Bruch der Bohrer
auftrat. Doch zeigt das Photo in 6, dass
noch eine erhebliche Menge von Spänen an dem Bohrer nach der
Bohrarbeit haftete.
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Zum
erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
nach 2
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7 zeigt
ein Photo der Unterseite des beim Ausführungsbeispiel 2 eingesetzten
Ringkörpers.
Die vier Nuten 42A zur Bildung der zweiten Luftkanäle weisen
eine Breite von 1,0 mm und eine Tiefe von 1,5 mm auf. Dabei beträgt im Beispielsfalle die
Querschnittssumme der zweiten Luftkanäle 42A 19,9 ,% der
Querschnittssumme der ersten Luftkanäle 41.
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Mit
einem solchen Ringkörper
wurden Bohrversuche mit 150 Bohrern durchgeführt, wobei kein Bohrerbruch
auftrat. Nach dem Bohren wurde an fünf von 150 Bohrern festgestellt,
dass sich eine vergleichsweise geringe Menge von Spänen an den Bohrer
angeheftet hatte (Photo von 8). Diese Feststellung
stellt einen Verbesserung im Vergleich zu einem nachfolgend zu erläuternden
Vergleichsbeispiel dar. Wenn während
der Bohrarbeit der Bohrer einer Wartung unterzogen wurde, konnte
erreicht werden, dass kein Bohrerbruch während der Bohrerlebensdauer
erfolgte.
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9 zeigt
ein Photo der Unterseite des beim Ausführungsbeispiel 3 eingesetzten
Ringkörpers 4B.
Die zweiten Luftkanäle
nahe auf der unteren Seite des Ringkörpers weisen Durchmesser von
1,0 mm auf. Die Querschnittssumme der zweiten Luftkanäle beträgt 20,8
% der Querschnittssumme der ersten Luftkanäle.
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Bei
Einsatz dieses Ringkörpers 4B wurden die
Bohrversuche mit 150 Bohrern durchgeführt, wobei kein Bohrerbruch
eintrat. Wie im Photo in 10 gezeigt,
wiesen alle Bohrer nach der Bohrarbeit einen sauberen Zustand ohne
anhaftende Späne
auf. Es bestand keine Gefahr eines Bohrerbruchs während der
vorgegebenen Bohrerlebensdauer. Somit konnte problemlos das erfindungsgemäß angestrebte
Ziel erreicht werden.
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Vergleichsbeispiel
-
11 zeigt
ein Photo der unteren Fläche
eines zum Vergleich eingesetzten Ringkörpers, der vier erste Kanäle mit Durchmessern
von 3,1 mm und eine bis ins Innere des Stempels reichende zylindrische
Ausnehmung aufwies, wobei keine zweiten Luftkanäle vorgesehen waren.
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Unter
Einsatz dieses Druckringes wurden Bohrversuche durchgeführt, wobei
an jedem dritten Bohrer ein Bohrerbruch gemessen an seiner Lebenszeit
schon relativ frühzeitig
auftrat. Wie in Photo in 12 veranschaulicht,
hafteten an dem Bohrer eine größere Menge
von Spänen.
Es kann deshalb vermutet werden, dass diese in größerer Menge
an dem Bohrer haftenden Spänen
für den
Bohrerbruch verantwortlich waren.
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Die
Bohrversuche wurden bei den obigen Ausführungsbeispielen und dem Vergleichsbeispiel mit
den gleichen Arbeitsparametern, und zwar einem Bohrerdurchmesser
von 0,3 mm, einer Vorschubgeschwindigkeit von 1,5 m/min und einer
Spindeldrehzahl von 100 000 rpm durchgeführt. Was die Anzahl der Bohrungen
betraf, wurden mit demselben Bohrer bis 3000 Bohrungen entsprechend
seiner Lebensdauer durchgeführt,
sofern kein Bohrerbruch eintrat. Bei allen Versuchen wurde ein Ringkörper verwendet,
der vier Kanäle
mit einem Durchmesser von 3,1 mm aufwies.
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Wie
oben ausführlich
beschreiben, ist am unteren Boden des Stempels ein Ringkörper frei
abnehmbar angebracht. Dabei weist der Ringkörper in einer ersten oberen
radialen Ebene mehrere erste Kanäle
zur Erzeugung einer ersten Wirbelströmung in der zentralen Ausnehmung
des Ringkörpers
durch die ins Innere des Stempels angesaugte Luft auf. In einer
zweiten dem Werkstück
zugewandten radialen Ebene befinden sich mehrere zweite Kanäle, die
eine zweite Wirbelströmung
in der zentralen Ausnehmung des Ringkörpers nahe der Bohrerspitze
erzeugen, wobei die in die zweiten Kanäle einströmende Luft eine vergleichsweise
hohe Strömungsgeschwindigkeit
aufweist, um die Bohrspäne
von der Spitze des Bohrers abzulösen
und außerdem
sichergestellt ist, dass eine genügende Luftmenge über die
ersten Kanäle
der Ausnehmung innerhalb des Ringkörpers vorhanden ist, um die
Späne mit
Hilfe der ersten Wirbelströmung über den
hohlen Stempel austragen zu können.
Durch diese Maßnahme
wird eine wirksame Entfernung der Spänen und zugleich eine ausreichende
Bohrerkühlung
ermöglicht,
wodurch die Nachteile durch die Anheftung von Spänen an den Bohrern beim Stand
der Technik vermieden werden.
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Wie
aus den Ausführungsbeispielen
1 bis 3 zu folgern ist, müssen
die zweiten Kanäle
in dem Ringkörper
genau bemessen sein, um eine optimale Ablösung der Bohrspäne an der
Spitze des Bohrer sicher stellen und außerdem einen Austrag der abgelösten Späne mit der
zweiten Wirbelströmung
ermöglichen
zu können.
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Die
Erfindung ist auf die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt. Für den Fachmann sind
weitere Ausführungsbeispiele
ohne weiteres möglich,
die den Rahmen der Erfindung nicht verlassen.
-
In
den Abbildungen zeigt:
-
1 eine
erfindungsgemäße Ausführung eines
Ringkörpers
zum Bohren von Löchern
in einem Leiterplattenstapel axial und radial geschnitten;
-
2 eine
zweite erfindungsgemäße Ausführung eines
Ringkörpers
axial und radial geschnitten;
-
3 Luftströmungen in
der zentralen Ausnehmung des Ringkörpers nach 1 und 2;
-
4 einen
Radialschnitt durch den Ringkörper
nach 2 in der Ebene der ersten Kanäle zur Erzeugung einer obersten
Luftströmung
im oberen Teil der zentralen Ausnehmung des Ringkörpers;
-
5 ein
Photo der Unterseite eines beim Ausführungsbeispiel 1 eingesetzten
Ringkörpers;
-
6 ein
Photo des Bohrer nach dem Bohren gemäß Ausführungsbeispiel 1;
-
7 ein
Photo der Unterseite eines beim Ausführungsbeispiel eingesetzten
Ringkörpers;
-
8 ein
Photo des Bohrers nach dem Bohren gemäß Ausführungsbeispiel 2;
-
9 ein
Photo der Unterseite eines beim Ausführungsbeispiel 3 eingesetzten
Ringkörpers;
-
10 ein
Photo des Bohrers nach dem Bohren gemäß Ausführungsbeispiel 3;
-
11 ein
Photo der Unterseite eines bei einem Vergleichsbeispiel eingesetzten
Ringkörpers ohne
erfindungsgemäße Kanäle;
-
12 ein
Photo des Bohrer nach dem Bohren vom Vergleichsbeispiel;
-
13 einen
Achsschnitt durch eine bekannte Vorrichtung zum Bohren eines Leiterplattenstapels;
-
14 einen
Achsschnitt und einen Radialschnitt durch einen bekannten Ringkörper und
-
15 einen
Achsschnitt durch eine bekannte Bohrvorrichtung zum Bohren von Leiterplattenstapeln
mit dargestellten Luftströmungen
zum Austragen der Bohrspäne.
-
- 1
- Werkstück
- 2
- Werkbank
- 3
- Stempel
- 4
- Ringkörper
- 4A~4C
- Ringkörper
- 5
- Bohrer
- 6
- Spindel
- 7
- Hubvorrichtung
- 8
- Auslassöffnung
- 9
- zentrale
Ausnehmung des Ringkörpers
- 10
- Kanäle in einem
bekannten Ringkörper
- 11
- Leiterplattenstapel
- 12
- Deckplatte
des Leiterplattenstapels
- 13
- Bodenplatte
des Leiterplattenstapels
- 14
- Erste
Kanäle
in einem erfindungsgemäßen Ringkörper
- 42A
- Nuten
zur Bildung zweiter Luftkanäle
in einem erfindungsgemäßen
-
- Ringkörper
- 42B
- Zweite
Kanäle
eines erfindungsgemäßen Ringkörpers
- 43
- Stellring
- 44
- Öffnungen
in dem Stellring