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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Materialprüfvorrichtung für Biegeversuche und Verfahren zum Durchführen eines Biegeversuchs, das mit dieser Materialprüfvorrichtung durchführbar ist.
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Eine Materialprüfvorrichtung für Biegeversuche ist z.B. aus
DE 10 2016 011 421 A1 bekannt. Diese bekannte Vorrichtung umfasst drei oder vier identische Elemente, von denen ein erster und ein zweiter als Stützen für einen aufgelegten Probekörper dienen und ein dritter und ggf. vierter zwischen dem ersten und dem zweiten von oben auf den Probekörper gedrückt und die dabei auftretenden Kräfte gemessen werden. Die Probekörper werden dabei recht ungleichmäßig verformt, während ein mittlerer Bereich relativ stark gekrümmt ist, nimmt der Krümmungsradius des Probekörpers von der Mitte zu den Enden hin stark ab; es gibt Bereiche, die erst im Laufe des Versuchs, mit fortschreitender Durchbiegung des Probekörpers, zwischen das erste und das zweite Element einrücken und so unter den Einfluss der Biegekräfte gelangen, was die Auswertung des Versuchs erschwert. Bereiche an den Enden des Probekörpers, die nicht zwischen das erste und das zweite Element einrücken, sind zwar nötig, um ein Abgleiten des Probekörpers zu verhindern, werden aber selbe nicht verformt. Die Messergebnisse gehen somit nur auf die Deformation eines kleinen Teils der Probekörper zurück und können leicht durch lokale Schwankungen der Materialeigenschaften verfälscht werden. Der Einfluss solcher Schwankungen ließe sich zwar durch Verwendung größerer Probekörper vermindern, doch ist dies mit höheren Materialkosten verbunden.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist, eine Materialprüfvorrichtung und ein Materialprüfverfahren zu schaffen, die in der Lage sind, Messergebnisse von hoher Qualität aus kleinen Probekörpern zu gewinnen.
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Die Aufgabe wird zum einen gelöst, indem bei einer Materialprüfvorrichtung mit zwei in einer Längsrichtung beabstandeten Stützpunkten für den Probekörper und Mitteln zum Ausüben einer Biegekraft auf einen sich zwischen den Stützpunkten erstreckenden Abschnitt des Probekörpers, die Stützpunkte Klemmen mit jeweils zwei eine Klemmebene des Probekörpers definierenden Klemmbacken sind, die Klemmen um quer zu der Längsrichtung orientierte Achsen schwenkbar und in der Längsrichtung gegeneinander bewegbar sind, und dass die Mittel zum Ausüben einer Biegekraft eingerichtet sind, eine Schwenkbewegung der Klemmen um ihre Achsen anzutreiben. So kann zum einen eine Biegekraft über die gesamte Länge des Probekörpers zwischen den zwei Klemmen verteilt einwirken, zum anderen kann die Prüfvorrichtung einer einsetzenden Durchbiegung des Probekörpers nachgeben, indem sich die beiden Klemmen mit Fortschreiten der Durchbiegung aufeinander zu bewegen. Da der Probekörper an beiden Enden geklemmt ist, ändert sich der Abschnitt des Probekörpers, der der Biegebeanspruchung ausgesetzt ist, im Laufe des Versuchs nicht, was die Auswertung von an der Vorrichtung im Laufe des Versuchs gemessenen Kräften, Momenten oder Bewegungen und deren Umrechnung in Materialeigenschaften des Probekörpers erleichtert.
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Einer bevorzugten Ausgestaltung zufolge ist jede Klemme starr mit einem Hebel verbunden, und die Mittel zum Ausüben einer Biegekraft umfassen einen an den Hebeln angreifenden Drücker.
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Um das Schwenken der Klemmen zu ermöglichen, ist typischerweise jeder Hebel an einem Lager abgestützt. Um ferner die Bewegung der Klemmen in der Längsrichtung zu ermöglichen, kann jeder Hebel ferner im Laufe einer Schwenkbewegung in seiner Längsrichtung an dem Lager entlang beweglich sein. Eine solche kombinierte Beweglichkeit in Rotation und Translation ist einfach realisierbar, indem jeder Hebel auf einem ortsfesten Angelpunkt aufliegt. So kann der Hebel einerseits um den Angelpunkt schwenken, um eine Durchbiegung des Probekörpers zu erzwingen, und andererseits auf dem Angelpunkt längsverschieblich sein, um folgen zu können, wenn die eingeklemmten Enden eines Probekörpers sich mit fortschreitender Durchbiegung einander nähern. Alternativ kann das Lager eine Rolle umfassen, die mit dem Hebel in Reibkontakt steht und in Drehung mitgenommen wird, wenn dieser sich in seiner Längsrichtung bewegt, oder ein Zahnrad, das in eine Zahnstange des Hebels eingreift. Rollen oder Zahnräder der beiden Lager können in ihrer Bewegung gekoppelt sein, um eine Spiegelsymmetrie des Probekörpers und der Materialprüfvorrichtung in jeder Phase des Biegeversuchs sicherzustellen.
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Um die Längsbewegung des Hebels anzutreiben, kann einer ersten Ausgestaltung zufolge ein Ballastkörper am Hebel angebracht sein. Dessen Gewicht wirkt umso stärker, je steiler die Stellung des Hebels ist. Daher ist es zweckmäßig, wenn der Hebel in einer Ruhestellung zu Beginn des Biegeversuchs horizontal ist und aus der Horizontalen in eine zunehmend geneigte Stellung geschwenkt wird. Die Achse des Hebels sollte hier vorzugsweise horizontal verlaufen.
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Einer zweiten Ausgestaltung zufolge sind die Achsen vertikal orientiert. So bleibt das Gewicht des Hebels ohne Einfluss auf die Durchbiegung des Probekörpers, und der Probekörper kann in einer Orientierung zu montiert werden, in der auch sein Eigengewicht nur vernachlässigbaren Einfluss auf seine Durchbiegung hat. Dies ist insbesondere für eine exakte Messung der an einem leicht verformbaren Probekörper auftretenden Kräfte günstig.
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Vorzugsweise ist die Schwenkbewegung der Klemmen derart an eine Translation der Klemmen entlang einer Bahn gekoppelt, dass die Länge eines Kreisbogens, der sich von einer Klemme zur anderen erstreckt und die Klemmebenen am Ort der Klemmen berührt, im Laufe der Schwenkbewegung konstant ist. So kann sich der Probekörper frei von Zug- oder Stauchbelastung biegen, und während des Biegeversuchs gemessene Kräfte sind nicht durch das Dehnverhalten des Probekörpers beeinflusst.
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Vorzugsweise ist die Längsbewegung des Hebels dadurch gesteuert, dass ein Führungselement des Hebels in eine Kulisse eingreift. Die Kulisse kann insbesondere ein Schlitz oder eine Nut sein, in die als Führungselement ein Vorsprung des Hebels eingreift. Der Vorsprung kann zur Reibungsminderung als Rolle ausgebildet sein. Die Kulisse kann sich spiralförmig um das den Drehmittelpunkt des Hebels bildende Lager erstrecken.
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Die Achsen der zweiten Ausgestaltung können vertikal orientiert sein; so kann eine Beeinflussung der gemessenen Kräfte durch Schwerkraft vermieden werden, was insbesondere im Falle von gut biegsamen Probekörpern vorteilhaft ist.
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Die Form der Kulisse kann so gewählt sein, dass sie die Klemmen auf Bahnen führt, auf denen wie oben erwähnt die Länge eines Kreisbogens, der sich von einer Klemme zur anderen erstreckt und die Klemmebenen am Ort der Klemmen berührt, im Laufe der Schwenkbewegung konstant ist. Um zusätzlich auch Messungen zum Dehnverhalten durchführen zu können, kann es wünschenswert sein, Kulissen zur Verfügung zu haben, die die Klemmen auf Wegen führen, auf denen die Länge eines solchen Kreisbogens zu- oder abnimmt. Zu diesem Zweck kann ein Satz von Kulissen bereitgestellt werden, aus denen die jeweils benötigte ausgewählt und in der Materialprüfvorrichtung montiert werden kann; alternativ besteht die Möglichkeit, eine gleiche Kulisse in verschiedenen Orientierungen zu montieren, um die Länge des Kreisbogens je nach Bedarf konstant zu halten oder im Laufe eines Biegeversuchs zu- oder abnehmen zu lassen.
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Die Aufgabe wird zum anderen gelöst durch ein Verfahren zum Durchführen eines Biegeversuchs an einem Probekörper mit den Schritten:
- a) Einklemmen des Probekörpers entlang einer Klemmebene zwischen voneinander in einer Längsrichtung beabstandeten Klemmen, deren Klemmbacken jeweils eine Klemmebene definieren;
- b) Deformieren des Probekörpers durch Schwenken der Klemmen um quer zu der Längsrichtung orientierte Achsen.
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Um eine Deformation durch Biegen ohne gleichzeitige Dehnung des Probekörpers zu ermöglichen, ist gleichzeitig mit dem Schwenken eine Anpassung des Abstands der Klemmen voneinander notwendig.
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Die Anpassung des Abstands kann dabei so vorgenommen werden, dass die Länge eines Kreisbogens, der sich von einer Klemme zur anderen erstreckt und die Klemmebenen am Ort der Klemmen berührt, im Laufe der Schwenkbewegung konstant bleibt.
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Das Verfahren ist durchführbar mit einer Materialprüfvorrichtung wie oben beschrieben.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Materialprüfvorrichtung mit daran montiertem Probekörper in einem Ausgangszustand;
- 2 die Materialprüfvorrichtung aus 1 mit dem Probekörper in verbogenem Zustand;
- 3 eine Teilansicht einer Materialprüfvorrichtung gemäß einer abgewandelten Ausgestaltung; und
- 4 eine Teilansicht gemäß einer weiteren Ausgestaltung.
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Die Materialprüfvorrichtung der 1 ist teils im Schnitt, teils in einer Seitenansicht gezeigt. Sie umfasst zwei Hebel 1, die einander spiegelsymmetrisch beiderseits einer Symmetrieebene M gegenüberliegen. Jeder Hebel 1 ist um eine zur Ebene der Zeichnung senkrechte Achse 2 schwenkbar; im hier betrachteten Fall verläuft die Achse durch eine Rolle 3 am oberen Ende einer Säule 4, auf der der Hebel 1 aufliegt.
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Ein erster Arm 5 des Hebels 1, auf einer der Symmetrieebene zugewandten Seite der Achse 2, trägt an seinem freien Ende eine Klemme 6. Eine mit dem Arm 5 starr verbundene Basis der Klemme hat die Form eines U-Profils mit jeweils einem oberen und einem unteren Schenkel 7, 8. Zwei Gewindestangen 9 erstrecken sich von einem Schenkel 7, 8 zum anderen und sind an den Schenkeln fixiert, hier z.B. indem sie sich durch Bohrungen der Schenkel 7, 8 erstrecken und in diesen verlötet sind. Die Gewindestangen 9 sind in Blickrichtung der 1 hintereinander angeordnet; deswegen ist in der Fig. nur eine von ihnen sichtbar.
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Die zwei Gewindestangen 9 tragen gemeinsam ein Paar Klemmbacken 10, 11. Die Klemmbacken 10, 11 sind Metallstäbe mit je zwei Bohrungen, durch die sich die Gewindestangen 9 erstrecken, und mit einander zugewandten Planflächen, die vorgesehen sind, um einen zu biegenden Probekörper 12 in einer Klemmebene 13 zu fixieren. In der Ausgangsstellung der 1, mit vor Beginn des Biegeversuchs noch ebenem Probekörper 12, fallen die Klemmebenen 13 beider Klemmen 6 überein. Die Lage der Klemmebene 13 kann durch eine Markierung 14, hier als Spitze dargestellt, an der Basis der Klemme 6 vorgegeben sein. Muttern 15, 16 an den Gewindestangen 9 erlauben es, die Position der Klemmbacken 10, 11 so an die Dicke des Probekörpers 12 anzupassen, dass sie den Probekörper 12 um die Klemmebene 13 zentriert fixieren, so dass eine neutrale Faser des Probekörpers 12 entlang der Klemmebene 13 zu liegen kommt.
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Die Muttern 15 auf wenigstens einer Seite des Probekörpers 12 sind Rändel- oder Flügelmuttern, um ein festes Einklemmen des Probekörpers 12 ohne Werkzeug zu ermöglichen.
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Der Abstand zwischen den Gewindestangen 9 ist größer als eine vorgesehene maximale Breite der Probekörper 12, so dass die Montage eines Probekörpers 12 ohne Zerlegen der Klemmen 6, durch Einschieben zwischen die einander gegenüberliegenden Planflächen der Klemmbacken 10, 11 möglich ist.
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Ein zweiter Arm 17 des Hebels 1 erstreckt sich auf der von der Symmetrieebene M abgewandten Seite der Achse 2. Der Arm trägt ein Führungselement 18, das mit einer ortsfesten Kulisse 19 zusammenwirkt. Die Kulisse 19 ist z.B. eine Nut oder ein Schlitz in einer ortsfest montierten, sich senkrecht zur Achse 2 erstreckenden Platte. Das Führungselement 18 kann ein in die Kulisse 19 eingreifender Zapfen sein; hier ist es eine Rolle, die um eine zur Achse 2 parallele, am Arm 17 feste Achse drehbar ist, und deren Durchmesser geringfügig kleiner ist als die Breite der Kulisse 19, um eine Bewegung des Führungselements 18 entlang der Kulisse 19 mit geringer Reibung zu ermöglichen.
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Wie durch Vergleich mit einem auf die Achse 2 zentrierten Kreisbogen C deutlich wird, hat die Kulisse 19 bezogen auf die Achse 2 die Form einer Spirale, deren Radius um so weiter abnimmt, je weiter der Hebel 1 aus der in 1 gezeigten Ausgangsstellung ausgelenkt wird.
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Im Fall der 1 ist die Form der Kulissen 19 so gewählt, dass beim Schwenken der Hebel 1 die Klemmen 6 einen Weg verfolgen, auf dem die Länge eines Kreisbogens, der die Klemmebenen 13 jeweils an den der Symmetrieebene zugewandten Kanten der Klemmbacken 10, 11 berührt, unverändert bleibt, während sein - in der Ausgangsstellung der 1 noch unendlicher - Radius abnimmt.
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Zum Auslenken der Hebel 1 aus der Ausgangsstellung dient ein Drücker 20, der auf beide Hebel 1 in gleicher Weise einwirkt. Der Drücker 20 umfasst hier einen starren Bügel 21 mit zwei Spitzen 22, die auf beide Hebel 1 jeweils in gleichem Abstand von den Achsen 2 einwirken, und einen senkrecht zu den Achsen 2 wirkenden Linearantrieb 23. Der Linearantrieb 23 ist in der Symmetrieebene M angeordnet, um seine Kraft zu gleichen Teilen auf beide Spitzen 22 zu verteilen. Die Spitzen 22 können wie die oberen Enden der Säulen 4 als Rolle ausgebildet sein, die um eine zu den Achsen 2 parallele Achse drehbar ist.
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Kraftsensoren zum Messen eines Widerstands des Probekörpers gegen Verformung können an diversen Stellen des oben beschriebenen Aufbaus vorgesehen sein, so etwa an den Säulen 4 und den Spitzen 22, zwischen den Gewindestangen 9 und den Schenkeln 7, 8.
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2 zeigt die Materialprüfvorrichtung während eines Biegeversuchs. Unter der Einwirkung des Drückers 20 sind die beiden Hebel 1 gegenläufig geschwenkt, und die Klemmebenen 13 kreuzen einander unter einem Winkel von unter 180°. Die Kulissen 19 erzwingen während des Schwenkens der Hebel 1 eine gleichzeitige Verlagerung in ihrer Längsrichtung. Diese stellt sicher, dass auf den Probekörper 12 lediglich einander entgegengesetzte Drehmomente über die Klemmen 6 einwirken, aber keine entlang seiner neutralen Faser wirkenden Zug- oder Druckkräfte. Infolgedessen ist der Probekörper 12 zwischen den Klemmen 6 einer gleichmäßigen Biegebelastung ausgesetzt, die - Homogenität des Materials des Probekörpers 12 vorausgesetzt - diesen exakt die Form des oben erwähnten Kreisbogens annehmen lässt. Zu den in diesem Zustand von den Kraftsensoren erfassten Kräften trägt die gesamte nicht eingeklemmte Fläche des Probekörpers 12 in gleicher Weise bei, daher genügen kleine Abmessungen des Probekörpers 12, um zuverlässige Messwerte zu gewinnen.
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Die Kulisse 19 bzw. die Platte, in der sie gebildet ist, kann austauschbar oder schwenkbar sein, um Verläufe der Kulisse 19 zu realisieren, wie sie exemplarisch in 3 gezeigt sind. Die durchgezogen gezeichnete Kulisse 19 ist mit derjenigen aus 1 und 2 identisch. Die Kulisse 19` erzwingt eine stärkere Verlagerung des Hebels 1 zur Symmetrieebene M hin, als dies die Kulisse 19 tut, mit der Folge, dass der Probekörper 12 beim Biegen auch einer Stauchung ausgesetzt ist. Daher kann er keine Kreisbogenform annehmen, sondern er bekommt eine Form ähnlich der, die bei einem herkömmlichen Biegeversuch resultiert, mit einem von der Mitte zu den Enden des Probekörpers 12 hin zunehmenden Krümmungsradius. Umgekehrt ist der Probekörper bei Verwendung der 19" einer Zugbelastung ausgesetzt und nimmt dadurch eine Form mit geringem Krümmungsradius in unmittelbarer Nachbarschaft zu den Klemmen 6 und größerem Krümmungsradius in der Mitte an.
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Der Aufbau der 3 unterscheidet sich von dem der 1 und 2 noch in einem weiteren Aspekt. In 1 liegen die Hebel 1 mit ihrer Unterseite lose auf den Säulen 4 auf, und die vom Drücker ausgeübte Kraft ist noch Null. Eine solche Konfiguration ist stabil, solange die Säulen 4 aufrecht stehen und die Achsen 2 horizontal sind. Eine solche Konfiguration ist gut handhabbar, wenn der Probekörper 12 steif und der Einfluss seines Gewichts auf die im Laufe des Biegeversuchs gemessenen Kräfte klein ist. Ein leicht biegsamer Probekörper neigt in dieser Konfiguration jedoch dazu, sich unter der Wirkung seines eigenen Gewichts zu verbiegen. Dieser Einfluss lässt sich vermeiden, wenn die Vorrichtung in einer Stellung zum Einsatz kommt, in der ihre Achsen 2 vertikal orientiert sind, da dann die Schwerkraft auf den Probekörper in einer Richtung wirkt, in der er ihr nur schwer nachgeben kann.
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In einer solchen Orientierung besteht insbesondere dann, wenn der Probekörper 12 noch nicht gebogen und die Klemmkräfte zwischen Säulen 4 und Drücker 20 klein sind, die Möglichkeit, dass die Hebel 1 vertikal verrutschen und dies wiederum zu einer unkontrollierten Deformation des Probekörpers 12 führt. Um dies zu vermeiden, haben die Hebel 1 einen Querschnitt mit zwei parallelen ebenen Oberflächen, von denen eine an der Rolle 3 und die andere an zwei Rollen 24 anliegt, die über zwei Lagerplatten 25 mit der Rolle 3 zu einer um die Achse 2 schwenkbaren Einheit verbunden sind. Eine entsprechende schwenkbare Einheit könnte mit gleicher Wirkung anstatt an der Säule 4 an der Spitze 22 des Drückers 20 unter Einbeziehung der dortigen Rolle vorgesehen sein.
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4 zeigt einen Hebel 1 einer vereinfachten Variante der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung. Hier ist auf eine Zwangsführung der Längsbewegung des Hebels 1 über Kulissen verzichtet; stattdessen ist am von der Symmetrieebene M abgewandten Arm 17 des Hebels 1 ein Ballastkörper 26 angebracht. Der Ballastkörper 26 kann bemessen und positioniert sein, um in der Ausgangsstellung den Hebel 1 und den Probekörper 12 horizontal auszubalancieren. Dazu kann der Arm 17 als Gewindestange ausgebildet sein, auf die der Ballastkörper 26 aufgeschraubt und radial verstellbar ist. Wenn der Hebel 1 unter dem Einfluss des Drückers 20 im Uhrzeigersinn schwenkt, übt der Ballastkörper 26 eine Kraft auf den Hebel 1 aus, der diesen in seiner Längsrichtung schräg abwärts treibt und es dadurch ermöglicht, dass sich der Probekörper 12 biegt, ohne dabei einer Zugbelastung ausgesetzt zu sein.
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Um sicherzustellen, dass sich im Laufe eines Biegeversuchs beide Hebel 1 in gleicher Weise zur Symmetrieebene M hin verlagern und die Anordnung des Probekörpers 12 symmetrisch bleibt, können die beiden Rollen 3 oder die Rollen des Drückers 20 untereinander so gekoppelt sein, dass sie mit entgegengesetzt gleicher Geschwindigkeit rotieren. Ferner können die Rollen 3 oder die Rollen des Drückers als Zahnräder ausgebildet sein, die mit Linearverzahnungen an den ihnen gegenüberliegenden Seiten der Hebel 1 kämmen, um ein Verrutschen der Hebel 1 auszuschließen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hebel
- 2
- Achse
- 3
- Rolle
- 4
- Säule
- 5
- (erster) Arm
- 6
- Klemme
- 7
- oberer Schenkel
- 8
- unterer Schenkel
- 9
- Gewindestange
- 10
- Klemmbacken
- 11
- Klemmbacken
- 12
- Probekörper
- 13
- Klemmebene
- 14
- Markierung
- 15
- Mutter
- 16
- Mutter
- 17
- zweiter Arm
- 18
- Führungselement
- 19
- Kulisse
- 20
- Drücker
- 21
- Bügel
- 22
- Spitze
- 23
- Linearantrieb
- 24
- Rolle
- 25
- Lagerplatte
- 26
- Ballastkörper
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016011421 A1 [0002]
