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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung
stoffschlüssiger
Verbindungen, z.B. bei der Montage elektronischer Bauteile.
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Trotz
Verbreitung der Massenlötverfahren wie
Wellenlöten
oder Reflowlöten
gibt es zahlreiche Lötstellen,
die einzelnen gelötet
werden müssen. Dies
geschieht häufig
manuell, wobei aus Qualitäts- und
Kostengründen
eine Automatisierung angestrebt wird.
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Eine
Möglichkeit,
besteht darin, zunächst das
Lot aufzuschmelzen und anschließend
die Lötstelle
in das Lotbad zu tauchen (Tauchlöten)
oder das flüssige
Lot der Lötstelle
mit einem Tiegel (Hubtauchlöten)
oder durch eine Düse
(Selektiv-Wellenlöten) zuzuführen. Dabei
wird das Lot im Überfluß zugeführt. Die
Menge, welche tatsächlich
an der Lötstelle verbleibt,
hängt damit
extrem von den Oberflächen ab.
Eine exakt gleichmäßige Dosierung,
wie sie für das
Löten kleinster
Verbindungen erforderlich wäre, ist
nur bedingt möglich.
Der große
Tiegel erfordert entweder eine massive Bewegungsvorrichtung für den Tiegel
oder die zu lötende
Baugruppe muß entsprechend
bewegt werden. Da bei diesen Verfahren die Schwerkraft des Lotes
ausgenutzt wird, kann in der Regel nur von unten gelötet werden.
Beides grenzt den Anwendungsbereich ein.
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Ein
weiteres bevorzugtes Verfahren ist, die Lötstelle mit einer Wärmequelle,
beispielsweise einem Lötkolben,
zu erwärmen
und das Lot in Form von Lotdraht zuzuführen (Kolbenlöten). Bei
diesem Verfahren ergibt sich das Problem, daß beim punktuellen Löten mit
Lotdraht, der zugeführte
Lotdraht innerhalb kürzester
Zeit vom Lötwerkzeug
oder der heißen
Lötstelle
erhitzt und aufgeschmolzen werden muß. infolge von Schwankungen
bei der Prozeßtemperatur,
dem Andruckwiderstand und den Benetzungseigenschaften variiert das
Abschmelzverhalten des Lotdrahtes, so das keine exakten Mengen dosiert werden
können.
Zusätzlich
verschlechtert die Temperaturdifferenz zwischen Lotdraht und Lötstelle
die Prozessstabilität,
weil der Lötstelle
thermische Energie zum Aufheizen und Aufschmelzen des Lotdrahtes entzogen
wird. Dieses führt
insbesondere beim automatischen Löten zu fehlerhaften Lötstellen.
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Bei
dem in Druckschrift
DE
102 13 677 B4 beschriebenen Verfahren wird die Prozeßsicherheit dadurch
verbessert, dass Lötstelle
und Lotdraht durch zwei getrennte Wärmequellen erhitzt werden. Das
Lot erreicht flüssig
oder fast flüssig
die Lötstelle und
kann nicht mehr „ausknicken". Jedoch sind beide Wärmequellen
anzusteuern und zu synchronisieren, um reproduzierbaren Prozeß zu erreichen.
Dieses ist mit hohem technologischem Aufwand verbunden.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum Löten
zu schaffen, um die Herstellung von Lötstellen mit hoher Qualität und bei
geringem Aufwand zu gewährleisten.
Die Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der unabhängigen
Ansprüche
1 bzw. 11. Die Unteransprüche
enthalten vorteilhafte Weiterbildungen.
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Bei
dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß dieser Erfindung wird der
Lotdraht mit einem Heißgasstrom,
der auch die Lötstelle
auf Löttemperatur
aufheizt, bereits erwärmt,
bevor er der Lötstelle zugeführt wird.
Dadurch lässt
sich die zum Schmelzen zu überwindende
Temperaturdifferenz erheblich verringern. Im Extremfall kann der
Lotdraht so weit erhitzt werden, dass er bereits im Dosiersystem
aufschmilzt und der Lötstelle
in flüssiger
Form zugeführt wird.
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Gegenüber dem
Kolbenlöten
mit einfacher Lotdrahtzufuhr wird eine höhere Prozeßsicherheit bei gleichzeitiger
Steigerung der Geschwindigkeit erreicht. Prozessbeeinträchtigungen,
die als Folge der hohen Temperaturdifferenzen zwischen Lötstelle
und Lotdraht auftreten, werden erheblich reduziert. Aus geringen
Temperaturdifferenzen resultieren stabilere Prozesstemperaturen
an der Lötstelle
und kürzere Lötzeiten.
Das Abschmelzverhalten wird kontrollierbar und Lotmengen können exakt
dosiert werden. Insgesamt wird punktuelles Löten wirtschaftlicher und die
Qualität
von Lötverbindungen
wird deutlich verbessert.
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Gegenüber dem
Selektiv-Wellenlöten
können
wesentlich kleinere und aufgrund der individuelle Dosierung auch
qualitativ hochwertigere Lötstellen erzeugt
werden. Weiterhin reduziert sich der Verschleiß, da nur wenige Teile mit
dem heißen
Lot in Berührung
kommen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
sieht vor, dass mittels einer Wärmequelle
Lot, welches der Lötstelle
zugeführt
wird, und ein Gasstrom, welcher auf die Lötstelle geleitet wird, erwärmt werden.
Dadurch kann die Temperatur an der Lötstelle gezielt beeinflußt werden.
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Die
Erwärmung
des Lotes kann direkt erfolgen (siehe auch 3), d.h. die
Wärmequelle
ist in die Lotführung
integriert und der zur Erwärmung
der Lötstelle
benötigte
Gasstrom wird erwärmt
in dem er an den erwärmten
Flächen
der Lotführvorrichtung entlang
geführt
wird. Alternativ dazu kann die Erwärmung des Lotes indirekt erfolgen
(siehe auch 1), d.h. der Gasstrom wird durch
die Wärmequelle
wie z.B. einer Heizspirale erwärmt
und anschließend
so an der Lotzuführvorrichtung
vorbeigeführt,
dass das sich darin befindliche Lot erwärmt wird. Auf diese Weise kann
das Werkzeug sehr kompakt gestaltet werden, so dass eine Integration
der wesentlichen Komponenten in ein gemeinsames Griffstück möglich ist,
und die manuelle Anwendung vereinfacht wird.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführung dieser Erfindung, wird
das Lot so weit erwärmt,
dass es schmilzt und flüssig
der Lötstelle
zugeführt
wird. Dadurch wird ein Ausknicken des Lotdrahtes, wie es vom herkömmlichen
Kolbentöten
bekannt ist vermieden.
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Als
Medium für
den Gasstrom kann Luft verwendet werden, was den Vorteil der Verfügbarkeit und
damit der einfachen Realsierung sowie geringen Kosten hat. Bei Verwendung
von Schutzgas hingegen wird der Lötprozeß unterstützt, Einerseits wird die für das Löten störende Oxidation
des heißen
Lotes verringert, andererseits weise Schutzgase in der Regel einen
höheren
Wärmeübergang
auf.
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Darüber hinaus
kann die Dosierung der gewünschten
Lotmenge verbessert werden, in dem eine Relativbewegung zwischen
Lotzuführvorrichtung
und Lötstelle
vorgesehen wird.
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Wie
bereits bekannt ist, wird der Benetzungsvorgang durch Zugabe von
Flußmittel
unterstützt.
Oft wird das Flußmittel
bereits in den Lotdraht integriert. Für die im Rahmen dieser Erfindung
beschriebene Lotzuführeinrichtung,
bei der das Lot in der Dosierpipette aufgeschmolzen wird, kann Flußmittel
im Lotdraht zum Verkleben der Dosierpipette führen. Daher sollte das Flußmittel
vorher separat aufgetragen werden. Um einen zusätzlichen Arbeitsgang zu vermeiden,
ist es vorteilhaft, eine Flußmittel-Dosiereinrichtung
in das Lötwerkzeug
zu integrieren.
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Als
hilfreich für
die exakte Dosierung kann es sich erweisen, wenn die Vorrichtung
an einer Bewegungseinrichtung angeordnet ist, die eine Relativbewegung
der Vorrichtung bezogen auf die Lötstelle ermöglicht. Der Lottropfen berührt die
Lötstelle.
Dabei entstehen Adhäsionskräfte zur
Lötstelle und
zum in der Dosierpipette verbleibenden Lot. Durch eine Relativbewegung
wird nun die Dosierpipette von der Lötstelle entfernt, so dass der
Lottropfen von der Dosierpipette abreißt und die Lötstelle
benetzt.
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Da
die Benetzungsfähigkeit
des Lotes mit steigender Temperatur der zu benetzenden Oberfläche zunimmt,
wird der Dosier-Vorgang unterstützt, wenn
die Temperaturverteilung so gewählt
wird, dass die Lötstelle
heißer
ist als das aufgeschmolzene Lot. Bei Anwendungen auf extrem temperaturempfindlichen
Substraten, wie z.B. Polyester oder anderen Kunststoffen kann es
hingegen vorteilhaft sein, die Lötstelle
nur knapp unter die eigentliche Löttemperatur zu erwärmen und
die Maximaltemperatur über
die Temperatur des flüssigen
Lotes einzustellen.
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Realisiert
wird das erfindungsgemäße Verfahren
durch eine Vorrichtung zum Löten,
mit einer Zuführvorrichtung
für Lot,
einer Wärmequelle
und einer Einrichtung zum Bewirken eines Gasstroms, wobei die Wärmequelle
derart ausgestaltet ist, dass mit dieser sowohl das Lot als auch
der Gasstrom zu erwärmen
ist. Je nach Ausprägung
wird erst der Gasstrom erwärmt,
der wiederum die Lotzuführvorrichtung
erwärmt,
oder der Gasstrom wird so durch das System geleitet, dass er an
der heißen
Lotzuführvorrichtung
erwärmt
wird. In diesem Fall ist es hilfreich, die Wärmequelle, z.B. eine Heizspirale
direkt in die Lotzuführvorrichtung
zu integrieren.
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Zur
Erzeugung des Gasstromes kann ein Ventilator, eine Gebläse oder
eine Pumpe in die Vorrichtung integriert sein. Bei Verwendung von
Schutzgas ist ein unter Überdruck
stehender Vorratsbehälter
geeignet.
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Über eine
Drossel kann der Gas- bzw. Luftstrom eingestellt werden. Weiterhin
können
Sensoren und Steuerungselemente vorgesehen werden, um den Gasstrom
hinsichtlich Temepratur und Menge einzustellen oder zu regeln.
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Für eine exakte
Dosierung ist es hilfreich, wenn die Dosierpipett so ausgestaltet
ist, dass die kalte Lotzuführung
und die heiße
Dosierpipette thermisch voneinander isoliert sind.
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Weiterhin
ist in eine vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung eine Vorrichtung
zur Bewegung vorgesehen, um die Lotzuführung und -dosierung zu unterstützen.
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Es
versteht sich, dass die vorstehenden genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in den jeweils angegebenen Kombinationen sonder auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele
sind den Figuren zu entnehmen.
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Die 1 und 2 zeigen
die wesentlichen Elemente der Löt-Vorrichtung.
Mit einem Ventilator (7c) wird ein Luftstrom (7b)
erzeugt, der in der Heizkartusche (13a) erwärmt wird.
Dieser heiße
Luftstrom (7a) wird so gleitet, dass er die Dosierpipette (11)
und die Lötstelle
(1) erwärmt.
Der Lotdraht (3a) wird von der Rolle zugeführt. Mit
einer Vorschubvorrichtung (14) wird eine einstellbare Menge
zugeführt. Der
Lotdraht (3a) wird über
das Führungsrohr
(16) zur Dosierpipette (11) geführt, in
welcher er aufgeschmolzen wird, so daß er in flüssigem Zustand (3b) die
Lötstelle
(1) erreicht.
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Je
nachdem welche dieser Elemente in ein gemeinsames Gehäuse integriert
werden, ergeben sich unterschiedliche Ausprägungen der Erfindung. 1 zeigt
eine Variante, bei der die Erzeugung des Heißluftstromes (7a)
[Ventilator (7c) und Heizkartusche (13a)] abgesetzt
in einer separaten externen Vorrichtung realisiert wird. Ebenso
erfolgt der Vorschub (14) des Lotdrahtes extern.
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Wird
das Gehäuse
als Griffstück
ausgeformt, wird auch die manuelle Anwendungen wesentlich erleichtert.
Bei der Variante gemäß 2 sind
alle wesentlichen Elemente und Funktionen in das Griffstück integriert.
Alle Varianten sind möglich.
Als vorteilhaft hat es sich erwiesen die Aufheizung (13a)
von Luftstrom (7b) und Lotdraht (3a) in das Griffstück zu integrieren
und die Erzeugung des Luftstroms sowie den Vorschub (14)
des Lotdrahtes (3a) in einer externen Vorrichtung zu realisieren
(3).
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In
einer weiteren Ausprägung
der Erfindung wird der Luftstrom mit einer Pumpe anstelle des Ventilators
(7c) erzeugt.
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Auch
ein unter Druck stehender Vorratsbehälter ist geeignet, um einen
entsprechenden Gasstrom zu erzeugen. Denn es ist vorteilhaft, anstelle von
Luft ein Schutzgas wie z.B. Stickstoff Argon, oder Ameisensäure einzusetzen.
Zum einen wird durch die Schutzgas-Funktion der Lötprozeß unterstützt, in dem
die Oxidation der Oberflächen
bzw. des Lotes verringert wird, zum anderen ist die Wärmekapazität der jeweiligen
Schutzgase größer als
die von Luft, so daß die
Wärmeübertragung
verbessert wird.
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Zum
Löten wird
zuerst die Lötstelle
(1) mit Luftstrom (7a) auf die Löttemperatur
gebracht. In der Lotzuführeinrichtung
wird Lotwerkstoff (3a) zum Aufschmelzen gebracht und die
benötigte
Lotmenge (3b) aus der Dosierpipette (11) herausgedrückt. Dieser
Lottropfen (3b) berührt
die Lötstelle
(1). Dabei entstehen Adhäsionskräfte zur Lötstelle und zum in der Dosierpipette
(11) verbleibenden Lot. Durch eine Relativbewegung wird
nun die Lötvorrichtung
von der Lötstelle
entfernt, so dass der Lottropfen (3b) von der Pipette (11)
abreißt
und die Lötstelle
(1) benetzt (4c). Der weiterhin
auf die Lötstelle
gerichteter Heißgas-Strom
(7a) erwärmt
die Lötstelle
weiterhin und ermöglicht
ein sauberes Fließen
des Lotes.
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Die 4 und 5 zeigen
die eigentliche Lötdüse mit der
erwärmten
Dosierpipette (11), der Führung für den Heißgasstrom (7a) und
der thermisch entkoppelten Lotdrahtführung (16). 5 zeigt eine
Ausprägung
der Erfindung, bei der Lotdraht (3a) seitlich in den Heißgasstrom
(7a) hinein geführt
wird. Als vorteilhaft hat sich jedoch erwiesen, den Lotdraht axial
zuzuführen
und die Heißluft
(7a) von der Seite in den Luftkanal um die Dosierpipette
(11) einzuleiten.
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6 zeigt
eine Ausführung
der Erfindung, bei welcher das Werkzeug von unten an die Lötstelle herangeführt wird
und der Luftstrom erst unmittelbar im Endstück (22) erwärmt wird.
Eine um die Dosierpipette (11) gelegte Heizwendel (13a)
wird elektrisch erwärmt.
Der Luftstrom wird durch diese Heizwendel hindurch geleitet und
somit erwärmt.
Nach Ausgestaltung von Dosierpipette und Luftstrom ergeben sich
unterschiedliche Varianten wie z.B::
- – die Heizwendel
(13a) erwärmt
die Dosierpipette (11), an welcher der Luftstrom (7b)
vorbeigeführt wird,
um ihn zu erwärmen
- – die
Heizwendel (13a) erwärmt
Luftstrom (7b), welcher als heißer Luftstrom (7a)
an der Dosierpipette (11) vorbeigeführt wird und diese dadurch erwärmt
- – die
Heizwendel (13a) erwärmt
Luftstrom (7b) und Dosierpipette (11) gleichzeitig
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Als
vorteilhaft hat es sich erwiesen in der Führung des Luftstroms eine Drossel
(7d) anzuordnen, um den Luftstrom zeitweise zu reduzieren.
In Lötpausen
wird der Luftstrom reduziert. Wegen der geringeren Strömungsgeschwindigkeit
kann damit auch die Heizleistung der Heizwendel (13a) reduziert werden.
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Dadurch
wird einerseits Energie gespart, andererseits wird der in Lötpausen
störende
Heißluftstrom
(7a) reduziert.
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Über einen
Temperatursensor (15b) welcher im Luftstrom angeordnet
ist kann die Temperatur der Heißluft
gemessen und über
Regelung der Heizleistung und/oder des Luftstromes konstant gehalten werden.
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Beim
Lötvorgang
wird das flüssige
Lot (3b) durch die Spitze der Dosierpipette (11)
der Lötstelle (1)
zugeführt,
indem Lotdraht (3a) nachgeschoben wird. Dabei bestimmen
Vorschubweg und Vorschubgeschwindigkeit des Lotdrahtes (3a)
die zeitabhängige
Fördermenge
des flüssigen
Lotes (3b). Wird die Richtung der Vorschubbewegung umgekehrt
fährt der
Lotdraht (3a) zurück.
Der Unterdruck, der sich dadurch kurzzeitig im Flüssiglotdepot
(3b) aufbaut, stoppt den Lotaustritt. Der Lotdraht (3a)
wird soweit zurückgezogen,
dass auch ungewollter Lotaustritt aufgrund von thermischer Ausdehnung
beim erneuten Aufschmelzen verhindert wird.
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Die
hier beschriebene Vorrichtung kann als Handgerät zum manuellen Löten oder
auch automatisiert in einer programmierbaren Bewegungseinrichtung
und bzw. mit einer automatischen Steuerung eingesetzt werden. Bei
der Ausprägung
als Handlötgerät ist es
vorteilhaft, die Ansteuerung der Vorschubvorrichtung (14) über einen
Schalter (14a) im Griffstück (22) zu starten.
Je nach Lötstrategie
wird entweder solange Lotdraht (3a) vorgeschoben, wie der
Schalter (14a) betätigt
ist, oder mit dem Schaltimpuls wird eine programmierte Zeit oder
ein programmierter Weg vorgeschoben. Weiterhin ist es bei einem
Handlötgerät vorteilhaft,
die heiße
Dosierpipette mit einen Wärmeschutzschild
(21) aus schlecht wärmeleitendem
Material abzudecken, um Verbrennungen in Folge unbeabsichtigter
Berührungen
zu vermeiden.
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Für ein sicheres
Aufschmelzen des Lotdrahtes hat es sich als vorteilhaft erwiesen,
die Dosierpipette aus gut wärmeleitendem
Material zu gestalten. Gut wärmeleitende
Materialien wie z.B. Kupfer oder Aluminium haben jedoch, die für das Löten unangenehme
Eigenschaft, dass sie sich in dem heißen Lot lösen und damit abnutzen bzw.
das Lot kontaminieren. Für
Beschichtungen, wie sie z.B. von Lötspitzen bekannt sind, ist
der Durchmesser der Bohrung in der Dosierpipette (11) zu
klein. Beständige
Materialien wie Edelstahl oder Keramik hingegen sind widerum schlechte
Wärmeleiter.
Als Lösung
wird die Dosierpipette (11) aus einem gut wärmeleitenden
Material gefertigt, in welches eine sehr dünne Edelstahlkanüle eingepreßt wird.
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Weiterhin
wird die Dosierpipette (11) so gestaltet, dass sie leicht
ausgewechselt werden kann. Z.B. wird Sie in einen Grundkörper eingeschraubt oder
geklemmt. Um zu gewährleisten,
dass nur aufgeschmolzenes Lot der Lötstelle zugeführt wird,
sollte der Durchmesser der Bohrung in der Dosierpipette (11)
kleiner sein als der Durchmesser des Lotdrahtes.
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Mit
einem Temperatursensor (15a) in der Dosierpipette (11)
kann festgestellt werden, ob das sich darin befindliche Lot bereits
aufgeschmolzen ist. Um ein Zusetzen der Dosierpipette (11)
zu vermeiden, ist es vorteilhaft, den Vorschub so anzusteuern, dass
er nur dann bewegt wird, wenn das Lot in der Dosierpipette (11)
aufgeschmolzen ist. Um das Auswechseln der Dosierpipette (11)
zu erleichtern ist es hilfreich, den Temperatursensor (15a)
nicht in die Dosierpipette (11) sondern in den ebenfalls
gut wärmeleitenden Grundkörper zu
integrieren.