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Die
Erfindung betrifft das elektrische Kontaktieren von elektrolytisch
zu behandelndem Gut in Durchlaufanlagen mit horizontalem, schrägem
oder vertikalem Transport des plattenförmigen oder bandförmigen
Gutes. Insbesondere handelt es sich bei dem Gut um Wafer für
Halbleiter und Solarzellen, bevorzugt aus Silizium; des Weiteren
um Solarzellen auf Substraten aus Metall, Kunststoff und anderen
Isolierwerkstoffen wie z. B. Glas. Die Erfindung eignet sich auch
zur elektrolytischen Behandlung von Leiterplatten und Leiterfolien,
Hybridschaltungen, Bändern und dergleichen.
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Die
mit den Mitteln der Erfindung zu behandelnden vollflächigen
oder strukturierten elektrisch leitfähigen Oberflächen
des Gutes müssen zur elektrolytischen Behandlung in einem
Elektrolyten kathodisch gegen mindestens eine Anode geschaltet sein, wenn
es sich um einen Galvanisierprozeß handelt. Beim elektrolytischen Ätzen
ist das Gut anodisch gegen eine kathodische Gegenelektrode gepolt.
Hierzu dient mindestens ein Gleichrichter oder Pulsgleichrichter,
der im ersten Falle mit seinem Minuspol mit der zu behandelnden
Oberfläche des Gutes und mit seinem Pluspol mit der Anode
elektrisch leitend zu verbinden ist, beim elektrolytischen Ätzen
entsprechend umgekehrt. In Durchlauf-Galvanisieranlagen wird das
Gut kontinuierlich oder diskontinuierlich von rotierenden oder klammernden
Transportmitteln transportiert. Diese Transportmittel übernehmen zugleich
als Kontaktmittel die elektrische Kontaktierung des Gutes. Dabei
werden diese Kontaktmittel wegen ihrer kathodischen Polarität
beim Galvanisierprozeß nahezu ebenso metallisiert wie die
Oberfläche des Gutes. Diese Metallisierung der Kontaktmittel
ist in Durchlauf-Galvanisieranlagen allgemein unerwünscht,
da dies mit einem hohen Wartungsaufwand der Galvanisieranlage verbunden
ist.
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Im
Stand der Technik sind in diesem Zusammenhang verschiedene Lösungen
vorgeschlagen worden, So offenbart die
DE 44 13 149 A1 eine Galvanisieranlage,
bei der ein Kontaktrad mit Kontaktsektoren zum Einsatz kommt. Dabei
sind die Kontaktsektoren am Kontaktrad einander gegenüberliegend angeordnet,
wobei ein Kontaktsektor anodisch gepolt ist, während gleichzeitig
ein anderer Kontaktsektor kathodisch gepolt ist. Metallreste am
anodisch gepolten Sektor werden zusätzlich zu dem in unmittelbarer Nachbarschaft
gelegenen kathodisch gepolten Kontaktsektor transportiert, so dass
der kathodische Kontaktsektor noch stärker galvanisiert
wird. Ein Entmetallisieren wird dadurch erschwert. In der
DE 196 28 784 A1 werden
noch mehr Kontaktsektoren vorgeschlagen, wobei die technische Realisierung
eines Kontaktrades mit solchen mehreren Kontaktsektoren mit noch
höherem Fertigungsaufwand verbunden ist. In der
DE 196 28 784 A1 wird
ferner darauf hingewiesen, dass sich beim Entmetallisieren eines
solchen Kontaktrades unerwünschte grobkörnige
Partikel bilden, die den Wartungsaufwand einer derartig ausgerüsteten
Galvanisieranlage erhöhen. Die
DE 198 40 471 A1 offenbart
zusätzlich zu den in den oben erwähnten Schriften
vorgeschlagenen Kontakträdern den Einsatz von Steuerungsmitteln,
um in einem geeigneten Moment innerhalb eines sehr kurzen Zeitfensters
die Kontaktsektoren kathodisch oder anodisch zu polen. Der Aufwand
zum Betreiben einer solchen Anlage und zum Kontaktieren von zu beschichtendem
Gut wird dadurch noch erhöht. In der
EP 0578 699 B1 wird eine
Kontaktwalze ohne Sektoren vorgeschlagen, wobei jeweils Hilfskathoden
und semipermeable Membranen erforderlich sind. Die Hilfskathoden
müssen häufig ausgewechselt werden, wodurch ebenfalls
ein hoher Wartungsaufwand bedingt ist.
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Es
ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine einfache Vorrichtung
und ein Verfahren anzugeben, mit dem flaches Galvanisiergut auf
einfache Weise und zuverlässig kontaktiert werden kann,
wobei der Wartungsaufwand der Galvani sieranlage verringert wird.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung gemäß dem
Patentanspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß dem
Patentanspruch 19. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die
elektrische Kontaktierung des durchlaufenden Gutes erfolgt mit Kontakträdern,
die zugleich auch die Funktion von Transporträdern haben
können. Erfindungsgemäß ist jedes Kontaktrad
am Umfang mit nur einem einzigen bogenförmigen Kontakt versehen.
Der verbleibende Teil am Umfang des Kontaktrades ist elektrisch
isoliert. Der bogenförmige Kontakt wird nachfolgend Bogenkontakt
genannt. Das Kontaktrad rollt bei der elektrolytischen Behandlung
auf der zumindest partiell elektrisch leitfähigen Oberfläche
des Gutes ab. Dabei wird diese durch den Bogenkontakt auf einer
Länge in Transportrichtung elektrisch kontaktiert, die
der Bogenlänge entspricht. Die Bogenlänge erstreckt
sich über die Länge am Umfang des kreisförmigen
Kontaktrades, die vom Zentriwinkel α bestimmt wird. Dieser
Winkel kann in einem weiten Bereich variieren, z. B. von α =
45° bis 315°, bevorzugt wird jedoch ein Winkel α von
185° bis 200°. Die restliche Bogenlänge
mit dem Winkel 360° – α ist mindestens
auf der Lauffläche, d. h. am Umfang elektrisch isoliert.
Wenn das rotierende Kontaktrad mit einem Bogenkontakt das Gut elektrisch kontaktiert,
dann wird dieser Bogenkontakt gegenüber mindestens einer
Anode der Durchlauf-Galvanisieranlage kathodisch geschaltet. In
dieser Zeit wird nicht nur die Oberfläche des Gutes elektrolytisch
metallisiert, sondern auch die Oberfläche des Bogenkontaktes.
Bei der weiteren Rotation des Kontaktrades erreicht der elektrische
isolierende Teil des Kontaktrades mit dem Winkel 360° – α die
Oberfläche des Gutes. In dieser Zeit, in der der Bogenkontakt
momentan nicht mit dem Gut in Kontakt ist, wird der Bogenkontakt
anodisch gegen die elektrisch leitfähige Oberfläche
des Gutes geschaltet, die in dieser Zeit als kathodische Gegenelektrode
zum Bogenkontakt wirkt. Damit wird der Bogenkontakt elektrolytisch
entmetallisiert und von der zuvor metallisierten Schicht befreit.
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Bei
jeder vollen Umdrehung des Kontaktrades wird somit der Bogenkontakt
zeitlich nacheinander einmal nahezu wie das Gut kathodisch metallisiert
und einmal anodisch entmetallisiert. Die Situation des ersten Kontaktrades
soll nachfolgend mit dem Zusatz B bezeichnet werden. Ein weiteres
Kontaktrad mit der Zusatzbezeichnung A der Durchlauf-Galvanisieranlage
ist ebenso wie oben beschrieben gestaltet. Es rollt jedoch vom Kontaktrad
B räumlich beabstandet und in Umlaufrichtung nominal in
einem Winkel von 180° zum Kontaktrad A versetzt auf der elektrisch
leitfähigen Oberfläche des selben Gutes ab. Dieser
Winkelversatz wird nachfolgend als „Phasenverschiebung"
bezeichnet. Die nominale Phasenverschiebung von 180° stellt
den günstigsten theoretischen Wert dar. Jedoch sind hier
auch Abweichungen in einem größeren Winkelbereich
von z. B. ±45° und mehr zulässig, dies
insbesondere dann, wenn in der noch zu beschreibenden elektrischen
oder elektronischen Steuereinheit die jeweils realisierte Phasenverschiebung
zur Steuerung der Schaltmittel bekannt ist.
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Mit
den phasenverschobenen und voneinander beabstandet platzierten technisch überraschend einfachen
Kontakträdern B und A ist es möglich, eine ununterbrochene
kathodische Stromzufuhr zur vollflächigen oder mindestens
partiell elektrisch leitfähigen Oberfläche des
Gutes herzustellen, wobei diese partiellen Flächen elektrisch
leitfähig miteinander verbunden sind.
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Für
die Anordnung der mindestens zwei Kontakträder A und B,
die nachfolgend auch als Kontaktpaar bezeichnet werden, gibt es
mehrere Möglichkeiten in Durchlauf-Galvanisieranlagen:
Das
Kontaktrad A befindet sich auf einer ersten Achse an der Oberseite
der Transportbahn und das Kontaktrad B auf einer zweiten Achse an
der gleichen Anlagenposition der Transportbahn an der Unterseite. Diese
Anordnung ist z. B. bei der elektrolytischen Behandlung von Leiterplatten
und Leiterfolien möglich, weil die Oberseite und die Unterseite
des Gutes durch die vielen durchkontaktierten Löcher hindurch und über
die metallisierten Ränder elektrisch miteinander verbunden
sind. Auch bei anderem zu behandelndem Gut kommt diese Situation
vor.
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Soll
das flache Gut nur einseitig, z. B. an der Unterseite galvanisiert
werden, dann kann das Kontaktrad A an einem Rand oder auf einer
ersten Spur des durchlaufenden Gutes abrollen. Das Kontaktrad B
rollt dann in der selben Anlagenposition auf der selben Achse, jedoch
auf dem beabstandeten gegenüber liegenden Rand oder auf
einer zweiten Spur des Gutes, die von der ersten Spur beabstandet
ist, ab. Die Ränder bzw. die Spuren sind, wie oben beschrieben,
auf dem Gut elektrisch miteinander verbunden. In beiden Fällen
ist die elektrische Kontaktierung an die Abmessungen bzw. an das
Layout des Gutes gebunden. Diese Situation, d. h. konstante Formate und/oder
konstantes Layout ist mehr und mehr in der Leiterplattentechnik
und besonders auch in der Wafertechnik z. B. für Solarzellen
gegeben.
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Ist
in einer Durchlauf-Galvanisieranlage mit unterschiedlichen Abmessungen
des zu galvanisierenden Gutes zu rechnen, dann ist die einseitige Kontaktierung
mit den Kontakträdern an der Oberseite und/oder an der
Unterseite an einem Randbereich des Gutes oder auf mindestens einer
Spur mit stets gleichem Randabstand vorzusehen. In diesem Falle wechseln
sich die Kontakträder A und B in Transportrichtung und/oder
oben und unten fortlaufend auf getrennten Achsen ab.
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In
allen Fällen können bei kleinerem parallel zu
transportierendem Gut quer zur Transportrichtung auf einer Achse
auch mehrere Kontakträder mit gleicher oder unterschiedlicher
Phasenlage angeordnet sein.
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Diese
erfindungsgemäße elektrische Kontaktierung mittels
eines einzigen Bogenkontaktes auf einem Kontaktrad erfordert keine
Hilfskathode zur Entmetallisierung. Damit entfallen die beschriebenen Membranen
mit dem zusätzlichen Elektrolyten. Des weiteren entfallen
Produktionsunterbrechungen zur Entfernung und Verschrottung des
nach dem Stand der Technik auf den Hilfskathoden abgeschiedenen Metalls.
Durch die beabstandete Anordnung der beiden Kontakträder
eines Kontaktpaares wird auch eine gegenseitig elektrolytische Metallisierung
der Bogenkontakte auf den Kontakträdern sicher vermieden.
Der Abstand kann groß bis sehr groß im Vergleich
zu mehreren Kontaktsektoren, die sich nach
DE 196 28 784 A1 oder
DE 44 13 149 A1 gemeinsam auf
einem Kontaktmittel befinden, realisiert werden. Dadurch findet
die störende gegenseitige Metallisierung nicht statt.
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Das
beschriebene Entmetallisierungsproblem von elektrolytischen Abscheidungen
auf anodisch resistenten und oxidierenden Werkstoffen im verwendeten
Elektrolyten kann zum Beispiel durch eine besondere Beschichtung
der Bogenkontakte gelöst werden. Geeignet ist eine elektrisch
leitfähige Diamantschicht, die an der Kontaktfläche
am Umfang des Bogenkontaktes vorgesehen ist. Eine derartige Beschichtung
ist beispielsweise in der
DE 10 2005 034 419 A1 offenbart. Die Leitfähigkeit
der Diamantschicht wird durch eine Dotierung z. B. mit Bor hergestellt.
Damit verhalten sich auch oxidierende Metalle mit einer derartigen
Beschichtung von z. B. 5 μm bis 15 μm Dicke in
einer elektrolytischen Zelle anodisch und kathodisch so wie nicht
oxidierende Metalle, d. h. wie z. B. Edelmetalle. Die Oberflächen
der Bogenkontakte lassen sich damit elektrolytisch vollkommen entmetallisieren.
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Weil
die Kontaktoberfläche in Folge der Diamantbeschichtung
keine Oxidschicht aufweist, wird auch der Kontakt-Übergangswiderstand
wesentlich verringert. Dies auch dann, wenn die Kontaktkraft im Vergleich
zur erforderlichen Kontaktkraft bei Oxid behafteten Kontaktoberflächen
klein ist. Wegen des kleineren Kontakt-Übergangswiderstandes
ist auch der Spannungsabfall an diesem beim elektrischen Kontaktieren
kleiner. Damit ist der Bogenkontakt in Bezug zum Galvanisiergut
ebenfalls weniger kathodisch. Die beim Stand der Technik beschriebene
bevorzugte, jedoch unerwünschte Metallisierung des Kontaktes
wird verringert. Der Spannungsabfall am Kontakt wird durch die nicht
oxidierende Kontaktoberfläche aus Diamant gegenüber
z. B. einer Titanoberfläche etwa halbiert.
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Im
Gegensatz zu einer möglichen Edelmetallbeschichtung ist
die Diamantbeschichtung extrem abriebfest und verschleißfest.
Diese Eigenschaften sind ein zusätzlicher großer
Vorteil für die erfindungsgemäßen Bogenkontakte
in Durchlauf-Galvanisieranlagen.
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Beim
Galvanisieren von z. B. Leiterplatten oder Leiterfolien sind die
zu metallisierenden Startschichten für die HDI Technik
sehr dünn, z. B. 3 μm. Bei großen Stromdichten
verursachen die damit verbundenen Galvanisierströme in
der dünnen Startschicht große Spannungsabfälle.
Diese verursachen unzulässig große Schichtdickenunterschiede
mit der größten Dicke am Rand des Kontaktbereiches
und abnehmend zum gegenüber liegenden Bereich des Gutes.
Durch die Anordnung eines Kontaktpaares auf einer Achse mit Kontakträdern,
die an den beiden Rändern des Gutes abrollen, erfolgt die
Stromeinleitung zeitlich nacheinander abwechselnd von den beiden
Rändern an der selben Position der Anlage. Dadurch heben
sich die Nachteile der einseitigen Kontaktierung gegenseitig so
auf, dass eine nahezu ebene Schicht quer zur Transportrichtung erzielt
wird.
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Weitere
Details der Erfindung werden an Hand der schematischen und nicht
maßstäblichen 1 bis 8 beschrieben.
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1 zeigt
in der Seitenansicht ein Kontaktrad mit dem Bogenkontakt.
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2 zeigt
eine grundsätzliche Anordnung der Kontaktmittel in einer
elektrolytischen Zelle und die zugehörige elektrische Schaltung.
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3 zeigt
eine Anordnung der Kontaktmittel an der Oberseite und an der Unterseite
des Gutes.
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4 zeigt
eine weitere Anordnung mit einer anderen Phasenlage der Bogenkontakte.
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5 zeigt
eine elektrische Schaltung zur Entmetallisierung der Kontaktmittel
mittels der Gleichrichter zur Galvanisierung des Gutes.
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6 zeigt
desgleichen eine Anordnung zur Galvanisierung der Oberseite und
der Unterseite des Gutes.
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7 zeigt
einen Ausschnitt aus einer Anlage mit Kontaktmitteln an einer Seite
des Gutes mit Entmetallisierungs-Gleichrichtern.
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8 zeigt
desgleichen einen Ausschnitt aus einer Anlage ohne gesonderte Entmetallisierungs-Gleichrichter
und mit mehreren Anoden je Galvanogleichrichter.
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Die 1 zeigt
das Kontaktrad 1 bestehend aus einem Isolierkörper 2 und
einem Bogenkontakt 3. Der Bogenkontakt 3 erstreckt
sich am Umfang des Kontaktrades 1 über die Bogenlänge 4.
Diese kann auch durch den Zentriwinkel α beschrieben werden. In 1 erstreckt
sie sich über den Winkel α, der größer
ist als 180°. Dieser Winkel kann jedoch auch wesentlich
kleiner oder wesentlich größer als 180° gewählt
werden, z. B. von 45° bis 315°, bevorzugt 185° bis
200°. Das Kontaktrad 1 befindet sich auf einer Achse 5,
die von einem nicht dargestellten Antrieb in Rotation versetzt wird.
Vorteilhaft wird die Achse 5 mindestens teilweise elektrisch
leitfähig ausgeführt. Damit kann sie auch als
Stromleiter zum Bogenkontakt 3 genutzt werden. Der Bogenkontakt 3 wird
mittels mindestens eines elektrischen Leiters 6 als Lasche,
Draht, Stift, Schraube oder Metallstück mit der Achse 5 verbunden.
Die mechanische Verbindung von Bogenkontakt 3 und Isolierkörper 2 kann
z. B. durch Schrauben oder formschlüssig durch mindestens
einen Hinterschnitt erfolgen. Derartige Verbindungen sind als Schwalbenschwanzverbindungen bekannt.
Seitlich können die so zusammengefügten Teile
geführt werden, z. B. durch beidseitig elastische Scheiben
und entsprechende rohrförmige Druckkörper, die
gegen die Scheiben drücken.
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Die
Stromzuführung zur rotierenden Achse 5, die an
ihrer Oberfläche elektrisch isoliert ist, erfolgt über
mindestens einen hier nicht dargestellten Drehkontakt oder Schleifkontakt,
der außerhalb des Elektrolyten angeordnet ist. Der Isolierkörper 2 kann
aus Kunststoff, Oxidkeramik oder einem anderen elektrisch isolierenden
Werkstoff bestehen.
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Bei
einer weiteren Ausgestaltung des Kontaktrades 1 sind der
Bogenkontakt 3 und der Isolierkörper 2 invers
ausgeführt. Der Kontakt hat die Form des dargestellten
Isolierkörpers 2 der 1 und der Isolierbereich
hat die Form des Bogenkontaktes 3 mit individueller Bogenlänge.
In diesem Falle entfällt der elektrische Leiter 6,
weil sich der metallische Kontakt bis zur elektrisch leitenden Achse 5 erstreckt
und dort mit dieser z. B. durch Klemmung verbunden ist.
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Auf
einer Achse 5 können sich auch mehrere Kontakträder 1 beabstandet
befinden, wenn das Abrollen auf der zu nutzenden Oberfläche
des Gutes zulässig ist. Gleiches gilt, wenn quer zur Transportrichtung
mehrere Teile zu transportieren und zu kontaktieren sind. Dieser
Fall ist z. B. beim Galvanisieren von Wafern, Solarzellen oder Hybriden
gegeben. Auf jedem derartigen Gut 7 verläuft mindestens
in Transportrichtung gesehen eine Kontaktspur auf der vollflächigen
oder strukturierten elektrischen Leitschicht 8, die zu
Beginn der elektrolytischen Behandlung als Startschicht bezeichnet
wird.
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In
der 2 sind zwei Transport- und Kontakträder 1 mit
gemeinsamer Achse 5, die auf der Leitschicht 8 an
der Oberseite des Gutes 7 an den beiden Rändern
abrollen, dargestellt. Die Randbereiche des Gutes 7 sind
mit A und B bezeichnet. Das Kontaktrad 1 am Rand A, nachfolgend
auch kurz mit Kontaktrad 1 A bezeichnet, ist mit seinem
Bogenkontakt 3 über den dortigen elektrisch leitfähigen
Achsbereich 18 A mit einem Schleifkontakt oder Drehkontakt 10 leitfähig
verbunden. Das Kontaktrad 1 am Rand B, d. h. das Kontaktrad 1 B
ist entsprechend über den Achsbereich 19 B mit
einem Schleifkontakt 11 elektrisch leitfähig verbunden.
Die Achse 5, die in diesem Anwendungsfalle im Mittenbereich
zumindest teilweise im gesamten Querschnitt elektrisch isoliert
ist, wird von einem Antrieb 12 in Rotation versetzt.
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Diese
Art der Stromzuführung mittels Schleif- oder Drehkontakten
zu den rotierenden Kontakträdern 1 einschließlich
der Kontakträder 1 selbst ist konstruktiv einfach
und damit auch sehr kostengünstig realisierbar. Besonders
vorteilhaft ist die Verwendung von Drehkontakten außerhalb
der elektrolytischen Zelle, wenn die Durchlauf-Galvanisieranlage in
einem Reinraum aufgestellt werden soll, denn es wird der übliche
Schleifstaub von Schleifkontakten oder Kommutatoren vermieden.
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In 2 kontaktiert
momentan der Bogenkontakt 3 des Kontaktrades 1 B
die zu galvanisierende elektrisch leitfähige Oberfläche
des Gutes 7. Damit ist mindestens die gesamte Oberseite
des Gutes 7 über einen elektronischen oder elektromechanischen
Umschalter 13 mit dem negativen Pol einer variablen Galvanisierstromquelle
oder kurz Gleichrichter 14 genannt, elektrisch verbunden.
Diese Oberseite ist somit im Elektrolyten kathodisch geschaltet
gegen die lösliche oder unlösliche Anode 15,
die mit dem positiven Pol des Gleichrichters 14 elektrisch verbunden
ist. Durch diese Polung wird die Oberseite im Elektrolyten metallisiert.
Zugleich wird auch unerwünscht der kathodische Bogenkontakt 3 des
Kontaktrades 1 B metallisiert.
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Bei
dieser dargestellten momentanen Rotationssituation rollt am Kontaktrad 1 A
der Isolierkörper 2 auf der Oberfläche
des Gutes 7 ab. Der Bogenkontakt 3 des Kontaktrades 1 A
ist nicht mit dem Gleichrichter 14 verbunden. Diese Situation
wird zur elektrolytischen Entmetallisierung des zuvor unerwünscht
metallisierten Bogenkontaktes 3 genutzt. Hierzu dient ein
elektronischer oder elektromechanischer Entmetallisierungs-Gleichrichter 17.
Dieser wird über eine Umpolschaltung 16 und über
den Schleifkontakt 10 momentan mit dem Bogenkontakt 3 des
Kontaktrades 1 A elektrisch verbunden. Die Stellung der
Umpolschaltung ist dabei so, dass der Pluspol des Entmetallisierungs-Gleichrichters 17 mit dem
Bogenkontakt 3 verbunden ist und diesen anodisch gegen
die Oberfläche des Gutes 7 polt. Zugleich ist
der Minuspol dieses Gleichrichters 17 über den
Schleifkontakt 11 und den Bogenkontakt 3 des Kontaktrades 1 B
mit der Oberfläche des Gutes 7 elektrisch verbunden.
Diese Oberfläche wirkt damit als Gegenelektrode zum anodischen
Bogenkontakt 3 des Kontaktrades 1 A.
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Die
Verwendung von separaten Gleichrichtern 14, 17 zur
Metallisierung und zur Entmetallisierung ermöglicht die
individuelle und optimale Anpassung der beiden unterschiedlichen
elektrolytischen Prozesse, für das Metallisieren und das
Entmetallisieren. So kann z. B. bei einer großen Bogenlänge des
Bogenkontaktes 3 für die dann entsprechend kleinere
Entmetallisierungszeit pro Umdrehung am Entmetallisierungs-Gleichrichter 17 eine
größere Badspannung und damit eine größere
Stromdichte zur Beschleunigung der Entmetallisierung eingestellt werden.
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Weil
die Oberfläche des Gutes 7 bei der Entmetallisierung
als kathodische Gegenelektrode zum Bogenkontakt 3 wirkt,
wird diese im Bereich der Kontaktspur 20 A metallisiert.
Damit wird der Abscheidungsverlust durch die zwischen dem Gut 7 und
der Anode 15 befindlichen abschirmenden Kontakträder 1 nahezu
ausgeglichen. Dies ist besonders dann wichtig, wenn die Kontakträder 1 und
damit die Kontaktspuren 20 durch nicht dargestellte Abschirmhauben
zur Verringerung der unerwünschten Metallisierung der Kontakträder 1 abgeschirmt
sind. Die Abschirmhauben 22 aus einem Isolierwerkstoff
mit entsprechender Baugröße über den
Kontakträdern sind an der Seite, die zur Oberfläche
des Gutes 7 weisen, geöffnet.
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Die
Bogenkontakte 3 der Kontakträder 1 A und
B sind während einer Umdrehung entweder kathodisch oder
anodisch gepolt. Die gleichzeitige kathodische und anodische Polung
durch entsprechende Schaltstellungen des Umschalters 13 und
der Umpolschaltung 16 würde zu einem elektrischen
Kurzschluß der beiden Gleichrichter 14, 17 führen.
Deshalb muß jeder Bogenkontakt 3 während
einer Umdrehung des Kontaktrades 1 zeitlich nacheinander kathodisch
und anodisch schaltbar sein. Für die zeitlich korrekte
sequenzielle Schaltung der beiden Polaritäten an jedem
Bogenkontakt 3 sorgt eine zentrale Steuereinheit C der
Durchlaufanlage. Diese synchronisiert und steuert alle beteiligten
Stromquellen 14, 17, die Schaltmittel 13, 16 und
die Antriebe 12 sowohl zeitlich als auch verfahrenstechnisch,
d. h. die Ströme bzw. Stromdichten der Stromquellen und
ihre Polaritäten sowie die Antriebsgeschwindigkeiten. Die Steuereinheit
C ist im Vergleich zu einem elektromechanischen Kommutator durch
die elektronischen Programmierungsmöglichkeiten wesentlich
flexibler. Auf Prozeßänderungen kann durch Programmierung reagiert
werden. Des weiteren können unipolare Pulse, d. h. Stromlücken
steuernd realisiert werden.
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Die
Steuereinheit C, die Gleichrichter 14, 17, die
Antriebe 12 und die Schaltmittel 13, 16 werden bevorzugt
mit elektronischen Mitteln realisiert. Diese Mittel können
auch Bestandteil der Gleichrichter selbst sein. Jedoch sind auch
elektromechanische Ausführungen, so wie sie in den Figuren
zur besseren Übersicht dargestellt sind, für die
Erfindung anwendbar.
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Durch
die Synchronisation der Schaltmittel mit dem Antrieb wird vorteilhaft
sichergestellt, dass am Bogenkontakt 3 kein Stromabriß mit
störender Funkenbildung auftritt. Wenn die Bogenkontakte 3 der
Kontakträder 1 A und B Bogenlängen 4 aufweisen,
die zu Winkeln α korrespondieren, die größer sind
als 180°, z. B. 200°, dann tritt für
einen Phasenwinkel von 20° eine Überlappung auf.
In dieser Überlappungszeit kontaktieren beide Bogenkontakte
die Oberfläche des Gutes 7. Wird in der Überlappungszeit
der Umschalter 13 betätigt, dann entsteht weder ein
Einschaltfunke an der einen einschaltenden Kante noch ein Abrißfunke
an der anderen ausschaltenden Kante der Bogenkontakte. Dadurch wird
ein entsprechender Verschleiß der Bogenkontakte vermieden
und die Oberfläche des Gutes erleidet keine Funkenerosion.
Während der Überlappungszeit ist der Entmetallisierungs-Gleichrichter 17 zur
Kurzschlußvermeidung vollständig ausgeschaltet.
Hierzu können z. B. alle Schaltmittel der Umpolschaltung 16 geöffnet
werden.
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In 2 verliert
bei weiterer Rotation der Kontakträder 1 das Kontaktrad 1 B
den elektrischen Kontakt zum Gut 7 und das Kontaktrad 1 A
kontaktiert das Gut 7. Bei diesem Wechsel von B nach A wird
auch der Umschalter 13 von der steuernden Steuereinheit
C umgeschaltet, wodurch das Kontaktrad 1 A über
den Bogenkontakt 3 die Oberfläche des Gutes kathodisch
kontaktiert. In diesem Schaltzustand hat der Bogenkontakt 3 des
Kontaktrades 1 B keine elektrische Verbindung zum Gut und
zum Gleichrichter 14. Dieser Bogenkontakt 3 wird über
die Umpolschaltung 16 an den positiven Pol des Entmetallisierungs-Gleichrichters 17 geschaltet.
Die Oberfläche des Gutes 7 wirkt als kathodische
Gegenelektrode, weil diese momentan mit dem negativen Pol des Entmetallisierungs-Gleichrichters 17 über
das Kontaktrad 1 A elektrisch verbunden ist. Der Bogenkontakt 3 des
Kontaktrades 1 B wird damit anodisch entmetallisiert, wobei
das im Elektrolyten aufgelöste Metall des Bogenkontaktes 3 auf
der Oberfläche des Gutes 7 im Bereich der Kontaktspur 20 nutzbringend abgeschieden
wird.
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Bei
weiterer Drehung verliert wieder das Kontaktrad 1 A die
elektrische Verbindung zum Gut und das Kontaktrad 1 B übernimmt
die Kontaktierung. Dieser Wechsel wiederholt sich bei der Rotation
der Kontakträder 1 und damit beim Transport des Gutes
fortwährend. Die Anordnung der Kontakträder 1 A
und B auf der Achse 5 und ihre Positionierung in Bezug
zum Gut 7 beschränkt sich nicht auf das Beispiel
der 2. In Abhängigkeit vom elektrolytisch
zu behandelnden Gut können Kontakträder 1 nur
an einem Rand des Gutes oder an der Oberseite und an der Unterseite
angeordnet werden, wie es z. B. bei Leiterplatten und Leiterfolien
erforderlich ist.
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In 2 ist
die Anode 15 in Transportrichtung mit kurzer Ausdehnung
dargestellt. In der Praxis kann die Anode in dieser Richtung auch
wesentlich länger ausgeführt sein und von einem
Gleichrichter 14 gespeist werden. Es ist bevorzugt auch
möglich, mehrere voneinander getrennte Anoden als Gruppe in
Transportrichtung des Gutes 7 anzuordnen, wobei jede der
Anoden einer Gruppe von ein und demselben größeren
Gleichrichter gespeist wird. Dies reduziert die Kosten für
viele einzelne Gleichrichter einschließlich ihrer Regel-
und Steuergeräte, wenn eine individuelle Anodenstromregelung
nicht erforderlich ist. Gleiches gilt für einzelne schmale
Anoden, die quer zur Transportrichtung angeordnet sind. Dieser Fall
ist gegeben, wenn z. B. das einzelne Gut in dieser Richtung kleine
Abmessungen aufweist, oder schmale Bänder zu behandeln
sind. Auch hierfür können mehrere Anoden von einem
Gleichrichter gespeist werden. In diesem Falle befinden sich dann auch
mehrere Kontakträder 1 auf einer Achse, die das
jeweilige schmale Gut kontaktieren. Diese Kontakträder 1 sind
entweder alle vom Typ A, d. h. die Phasenlage der Bogenkontakte 3 auf
einer Achse ist gleich. Auf der in Transportrichtung benachbarten Achse
sind dann alle Kontakträder 1 vom Typ B. Auch
abwechselnde Anordnungen vom Typ A und B auf einer Achse sind für
ein schales Gut realisierbar. Derartige Ausführungsbeispiele
und weitere elektrische Schaltungsmöglichkeiten der Erfindung
werden an Hand der nachfolgenden Figuren beschrieben, wobei darüber
hinaus weitere Ausführungen und Anordnungen möglich
sind.
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Die
Erfindung wird überwiegend am Beispiel der elektrolytischen
Metallisierung beschrieben, weil dies eine bevorzugte Anwendung
ist. Sie ist jedoch auch für die elektrolytischen Prozesse
Entmetallisieren, Oxidieren und Reduzieren anwendbar. Es sind lediglich
die Polaritäten der Stromquellen an die Prozesse anzupassen.
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Die 3 zeigt
im Querschnitt das Gut 7, das an der Oberseite und an der
Unterseite mit elektrischen Leitschichten 8 versehen ist,
die metallisiert werden sollen. Diese beiden strukturierten oder
vollflächigen Leitschichten 8 sind elektrisch
miteinander verbunden. Bei Leiterplatten erfolgt diese Verbindung durch
die durchkontaktierten Löcher und durch die dabei auch
metallisierten Kanten. Auch bei anderen Produkten besteht diese
elektrische Verbindung der beiden Seiten, z. B. über die
Kanten oder sie kann bei Bedarf durch eine leitfähige Brücke 21 gebildet
werden.
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Die
Kontakträder 1 A und B sind bevorzugt konstruktiv
gleich ausgebildet. Sie sind jedoch in ihrer Winkelstellung um nominal
180° versetzt an der selben Position in Transportrichtung 9 des
Gutes 7 gesehen angeordnet. Dieser Winkelversatz oder auch Phasenlage
genannt, wird bei diesem Paar von Kontakträdern 1 und
bei allen anderen Kontakträdern 1 der gesamten
Anlage konstant gehalten, z. B. durch einen formschlüssigen
Zahnradantrieb der Kontakträder 1, die einen gleich
großen Außendurchmesser haben. Die elektrischen
Abläufe entsprechen den an Hand der 2 beschriebenen
Abläufen und Schaltvorgängen. Dabei können
auch von der symbolisch mit dem Buchstaben C dargestellten Steuereinheit die
Gleichrichter in ihren Amplituden, d. h. in den Spannungen und/oder
Strömen verändert werden. Dies kennzeichnen die
Pfeile in den Gleichrichtersymbolen.
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Damit
das Kontaktrad 1 mit der momentanen Phasenlage B nicht
direkt von den Feldlinien der Anode 15 erreicht werden
kann, wird es mittels einer Abschirmhaube 22, bestehend
aus einem elektrischen Isolator, geschützt. Diese Abschirmhauben sind
an den Seiten, die zum Gut 7 weisen, offen. Sie behindern
damit nicht die beschriebenen Vorgänge an der Oberfläche
des Gutes. Jede der beiden Anoden 15 wird von einem individuellen
Gleichrichter 14 gespeist. Zur Vermeidung des technischen
Aufwandes kann z. B. der Gleichrichter 14 an der Unterseite entfallen.
Diese Anode ist dann mit der Anode an der Oberseite elektrisch zu
verbinden, d. h. parallel zu schalten. Der Gleichrichter an der
Oberseite speist dann beide Anoden. Er muß für
die größere Leistung dimensioniert werden, was
stets kostengünstiger ist, als zwei kleine Gleichrichter.
Diese Parallelschaltung empfiehlt sich immer dann, wenn an der Oberseite und
an der Unterseite gleich große Flächen mit gleichen
Stromdichten elektrolytisch zu behandeln sind. Auch mehrere Anoden 15,
in Transportrichtung gesehen, können von einem gemeinsamen
Gleichrichter gespeist werden. Befinden sich die Kontakträder 1 der 3 nur
an einem Rand des Gutes, so kann beliebig breites Gut, quer zur
Transportrichtung 9 gesehen, produziert werden. Es können
auch mehrere Kontakträder 1 auf einer Achse angeordnet
werden, wenn schmales Gut parallel transportiert werden soll. Dies
ist nicht nur bei Solarzellen, Hybriden und Bändern der
Fall, sondern auch bei Smart Labels bzw. Smart Cards für
RFID Produkte. Diese können außerhalb ihres Leiterbildes
elektrisch leitfähige Spuren zur elektrischen Kontaktierung
durch die Kontakträder 1 aufweisen. Diese Spuren
haben zunächst elektrische Verbindungen zu den Leiterbildern,
die jeweils meist eine gedruckte Spule als Antenne darstellen. Nach
dem Galvanisieren der Antenne wird diese ausgestanzt und dabei auch
von der Galvanisierspur getrennt. Damit ist auch das Problem der
Galvanisierung von Strukturen der Antennen sehr kostengünstig
lösbar.
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In 3 ist
nur ein Paar von Kontakträdern 1 dargestellt.
In Transportrichtung können sich die Kontakträder 1 jeder
Seite mit der gezeichneten Phasenlage fortsetzen, was konstruktiv
sehr einfach ist; insbesondere auch bei Wartungs- und Reinigungsarbeiten,
weil alle Kontaktelemente einer Seite gleich sind. Wenn die elektrisch
leitfähige Verbindung von der Oberseite zur Unterseite
mit einem zu großen elektrischen Widerstand behaftet ist,
dann empfiehlt es sich, die Kontakträder 1 A und
B an jeder Seite abwechselnd und zugleich von der Oberseite zur
Unterseite abwechselnd anzuordnen.
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Die 4 zeigt
diese Situation mit den abwechselnd angeordneten Kontakträdern 1.
Alle Kontakträder 1 sind so angetrieben, dass
sich ihre Phasenlage im Betrieb nicht ändert. Dies kann
mittels synchroner elektronischer Antriebe und/oder Zahnrad- bzw.
Zahnriemenantriebe erfolgen. Zur Entmetallisierung sind hier zwei
Entmetallisierungs-Gleichrichter 17 vorgesehen. Dies verringert
den Aufwand an Schaltmitteln im Vergleich zu einer Umpolschaltung
und die Kontakträder 1 A und B können
mit individuellen Stromdichten entmetallisiert werden. Die Anordnung
der Kontakträder 1 kann in Transportrichtung in
gleicher Weise fortgesetzt werden.
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Das
Ausführungsbeispiel der 5 stellt eine
sehr wirtschaftliche Lösung für das Metallisieren des
Gutes und für das Entmetallisieren der Bogenkontakte 3 dar.
Hier werden keine zusätzlichen Entmetallisierungs-Gleichrichter
mit den zugehörigen Mitteln zum Schalten, Steuern und Synchronisieren benötigt.
Die Entmetallisierung der Bogenkontakte 3 erfolgt über
je einen Vorwiderstand 23, 24. Der Bogenkontakt
des Kontaktrades 1 B ist wieder über einen Schleifkontakt 11 und
den Umschalter 13 mit dem negativen Pol des Gleichrichters 14 elektrisch verbunden.
Die Leitschicht 8 auf dem Substrat 26 des Gutes 7 wird
vom Bogenkontakt 3 des Kontaktrades 1 B kathodisch
gepolt. Der Pluspol des Gleichrichters 14 ist an der Anode 15 angeschlossen.
Damit wird die Oberfläche des Gutes 7 elektrolytisch
metallisiert. Der Vorwiderstand 23 B ist parallel zum Gleichrichter 14 geschaltet.
Er stellt einen zusätzlichen Verbraucher dar. Gleichzeitig
wird über den Vorwiderstand 24 A und den zugehörigen
Schleifkontakt 10 der Bogenkontakt 3 des Kontaktrades 1 A
mit dem Pluspol des Gleichrichters 14 verbunden. Durch
diese anodische Polarität des Bogenkontaktes 3 gegen
die kathodische Oberfläche des Gutes 7 wird der
Bogenkontakt 3 elektrolytisch entmetallisiert. Weil der
erforderliche Entmetallisierungsstrom wegen der kleinen Fläche der
Bogenkontakte nur 1/10 bis 1/100 des Metallisierungsstromes in der
elektrolytischen Zelle beträgt, können die Vorwiderstände 23, 24 im
Widerstandswert so groß dimensioniert werden, dass die
Verlustleistung im Vergleich zur Leistung der Galvanisierzelle vernachlässigbar
ist. Damit kann eine extrem kostengünstige Durchlauf-Galvanisieranlage
realisiert werden.
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Bei
jeder Halbdrehung der Kontakträder 1 wechselt
auch der Umschalter 13 seine Schaltstellung. Bei einem
elektronischen Umschalter 13 kann zum Umschalten eine kleine
Zeit gewählt werden, z. B. 0,1 ms. Bei einem elektromechanischen
Umschalter beträgt diese Zeit z. B. 10 ms. Auch diese längere Zeit,
die als Pausenzeit wirkt, ist für den elektrolytisch Prozeß problemlos,
selbst wenn keine weiteren Kontakträder 1 das
Gut momentan kontaktieren. In manchen Fällen ist sogar
ein unipolarer Pulsstrom erforderlich, d. h. ein Strom mit Lücken.
Auch ein bipolarer Pulsstrom ist mit dieser wirtschaftlichen elektrischen Schaltung
anwendbar. Damit die meist energiereichen Rückwärtsstrompulse
nicht zur Metallisierung der Bogenkontakte 3 beitragen
können, werden in Serie zu den Vorwiderständen 23, 24 Dioden
so gepolt eingefügt, dass ihre Anoden zum Pluspol des Gleichrichters
weisen. Zur Vermeidung der Verlustleistung könnten an Stelle
der Vorwiderstände 23, 24 auch Schalter 25 verwendet
werden. Diese werden nur dann von der Steuereinheit C geschlossen,
wenn der zugehörige Bogenkontakt 3 entmetallisiert
werden soll. In der 5 wäre dies momentan
der linke Pfad zum Kontaktrad 1 A. Der Umschalter 13 wird wieder
von der zentralen Steuereinheit C gesteuert. Entsprechend der momentanen
Phasenlage der Kontakträder 1 wird der Umschalter 13 geschaltet.
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Die 6 zeigt
mögliche Anordnungen der Kontakträder 1 an
beiden Seiten des Gutes unter Verwendung der Schaltung gemäß der 5.
Die Oberseite zeigt als Beispiel die beschriebene Diodenschaltung
für den bipolaren Pulsstrom des Pulsgleichrichters 27.
Die Unterseite zeigt als Beispiel Schalter 25 an Stelle
der Vorwiderstände zur Vermeidung der Verlustleistung.
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Die 7 zeigt
einen größeren Ausschnitt aus einer Durchlauf-Galvanisieranlage
zur einseitigen Metallisierung von Gut 7. Zur Metallisierung
dienen die Gleichrichter 14, die als Beispiel mehrere Anoden 15 speisen.
Die Entmetallisierung erfolgt mittels zweier Entmetallisierungs-Gleichrichter 17,
die von Schaltern 25 zeitlich richtig mit ihren jeweiligen
Pluspolen an die Bogenkontakte 3 der Kontakträder 1 der gesamten
Anlage oder abschnittsweise an diese geschaltet werden. Die Umschalter 13 und
Schalter 25 werden, wie bereits beschrieben, synchron von
der Steuereinheit C gesteuert und geschaltet.
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Die 8 zeigt
einen größeren Ausschnitt einer Durchlauf-Galvanisieranlage
unter Verwendung der Schaltung gemäß der 5.
Auch hier können mehrere Anoden 15 von einem Gleichrichter 14 gespeist
werden.
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Mit
dieser Schaltung erfolgt die Entmetallisierung der Bogenkontakte 3 mit
nahezu gleich großer Spannung wie die Metallisierung des
Gutes. Hier entfällt jedoch die Möglichkeit der
individuellen Einstellung der Ströme zur Metallisierung
und zur Entmetallisierung. Weil jedoch wesentlich weniger Metall zu
entmetallisieren ist als in der elektrolytischen Zelle zu metallisieren,
werden auch mit dieser wirtschaftlichen Schaltung sehr gute Entmetallisierungsergebnisse
erzielt. Bei dieser elektrischen Schaltung kann eine dargestellte
Gruppe zur anderen auch asynchron, d. h. abweichend von 180° Phasenverschiebung,
realisiert werden. Die Gruppen sind untereinander unabhängig.
-
Die
erfindungsgemäße Kontaktierung von Gut in elektrolytischen
Anlagen eignet sich sowohl zur vollflächigen elektrolytischen
Behandlung als auch zur Behandlung von strukturiertem Gut, wie z. B.
beim Leiterbildaufbau von Leiterplatten oder von Solarzellen. In
allen Fällen sind die Strukturen untereinander elektrisch
leitfähig miteinander verbunden und damit zur elektrolytischen
Behandlung geeignet. Zur Behandlung rollen die Kontakträder 1 auf
vorgesehenen Spuren in Transportrichtung ab und kontaktieren auf
diesen das Gut. Bei Leiterplatten verlaufen die Spuren an einem
oder an beiden Rändern je Seite. Bei Solarzellen verlaufen
die Spuren ebenfalls an den Rändern oder auf breiteren
Stromfängern auf der Vorderseite oder auf der elektrisch
leitfähigen Rückseite, die mit der Struktur an
der Vorderseite in elektrischer Verbindung steht.
-
- 1
- Kontaktrad 1
- 2
- Isolierkörper
- 3
- Bogenkontakt 3
- 4
- Bogenlänge
- 5
- Achse
- 6
- elektrischer
Leiter
- 7
- Gut,
Behandlungsgut
- 8
- Leitschicht,
Startschicht
- 9
- Transportrichtung
- 10
- Schleifkontakt,
Drehkontakt am Rand A
- 11
- Schleifkontakt,
Drehkontakt am Rand B
- 12
- Antrieb,
Motor
- 13
- Umschalter
- 14
- Gleichrichter
elektronisch, elektromechanisch
- 15
- Anode,
Elektrode löslich, unlöslich
- 16
- Umpolschaltung
- 17
- Entmetallisierungs-Gleichrichter
elektronisch, elektromechanisch
- 18
- Achsbereich
A
- 19
- Achsbereich
B
- 20
- Kontaktspur
- 21
- leitfähige
Brücke
- 22
- Abschirmhaube
- 23
- Vorwiderstand
B
- 24
- Vorwiderstand
A
- 25
- Schalter
- 26
- Substrat
- 27
- Pulsgleichrichter
- C
- Steuereinheit,
Kontrolleinheit, Control
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 4413149
A1 [0003, 0012]
- - DE 19628784 A1 [0003, 0003, 0012]
- - DE 19840471 A1 [0003]
- - EP 0578699 B1 [0003]
- - DE 102005034419 A1 [0013]