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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Hochleistungs-Lithiumbatterien für Fahrzeuganwendungen enthalten Batteriezellen, welche dünne Bleche als Elektrodensubstrate verwenden. Diese Elektrodenbleche enthalten eine Verlängerung, d. h. eine Fahne, die sich aus der Zellentasche heraus erstreckt und verwendet wird, um das Elektrodenblech beim Zusammenbauen der Batterie mit Leitungen oder Stromschienen, die aus Kupfermetall oder einer Kupfermetalllegierung oder aus Aluminiummetall oder einer Aluminiummetalllegierung bestehen, zusammenzufügen. Bei der Batteriekonstruktion werden gewöhnlich zwei Arten von Fahnenmaterialien verwendet: Aluminium und Kupfer. In einigen Fällen können die Kupferfahnen und/oder die Kupferleitung mit einer dünnen Nickelschicht beschichtet sein um die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern. In einigen Fällen können die Aluminiumfahnen und/oder die Aluminiumleitung eine dünne Eloxierschicht aufweisen.
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Das Zusammenfügen der dünnen Fahnenmaterialien mit der viel dickeren Leitung war aus mehreren Gründen schwierig. Erstens erfordern die Stapel das Zusammenfügen mehrerer separater Metallstücke in einer Operation, z. B. von drei separaten Fahnen mit einer Leitung. Zweitens können die Stapel eine Metallkombination enthalten, von der bekannt ist, dass sie spröde Metallverbindungen ausbildet, z. B. Kupfer und Aluminium. Drittens kann das Dickenverhältnis zwischen der Leitung und den Batteriezellenfahnen groß sein, zum Beispiel mindestens etwa 4:1 oder mehr. Außerdem kann ein Zusammenfügen unterschiedlicher Materialien schwierig sein.
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Bei dieser Anwendung wurde Ultraschallschweißen mit einigem Erfolg verwendet. Es ermöglicht das Zusammenfügen unterschiedlicher Metalle und ist zum Zusammenfügen von Materialien mit signifikanten Unterschieden bei den Blechdicken in der Lage. Jedoch gibt es beträchtliche Schwierigkeiten beim Fügen von Stapeln, die mehr als zwei Bleche enthalten, weil sich die Ultraschallenergie (die Vibrationen parallel zur Blechoberfläche umfasst) nicht gut über mehrere Grenzbereiche von Blech zu Blech überträgt. Das oberste Blech ist gut mit der Ultraschallenergiequelle gekoppelt, weil es in direktem Kontakt mit dem Ultraschallwerkzeug oder der Sonotrode steht; Bleche, die weiter unten im Stapel angeordnet sind, empfangen jedoch nicht so viel Ultraschallenergie und die Fügestellen sind nicht so fest. Ein anderer Nachteil einer Schweißverbindung besteht darin, dass die Fügestelle zum Austausch oder zur Wartung nicht leicht ohne Zerstörung zerlegt werden kann.
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Es wurden auch mechanische Befestigungselemente verwendet. Mechanische Befestigungselemente, etwa Schrauben oder Klemmen, stellen eine umkehrbare Fügestelle bereit. Sie beruhen auf einem sehr geringen Kontaktwiderstand, um eine gute elektrische Leitfähigkeit zu erreichen. Der Kontaktwiderstand kann sich jedoch im Lauf der Zeit durch das Ansammeln von Oberflächenverunreinigungen (z. B. Oxiden) oder ein Nachlassen des Befestigungselements verschlechtern. Außerdem bringen Schrauben oder Klemmen eine signifikante Masse, signifikante Kosten und eine signifikante Zusammenbauzeit mit sich.
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Auch gelötete Fügestellen können verwendet werden. Die Verwendung von Lötmitteln mit Flussmitteln kann jedoch speziell bei Aluminium zur Bildung korrosiver Flussmittelrückstände führen, welche die umgebenden Materialien oder die Fügestelle im Lauf der Zeit verschlechtern werden, wenn sie nicht durch Reinigungsoperationen entfernt werden. Diese Operationen erhöhen die Kosten und können in einigen Fällen in Abhängigkeit von der Zusammenbausequenz nicht möglich sein.
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Es besteht weiterhin ein Bedarf für einen Prozess zum Zusammenfügen von Batteriezellenfahnen mit Leitungen oder Stromschienen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung erfüllt diesen Bedarf. Es wird ein Verfahren zum Weichlöten mindestens einer Batteriezellenfahne mit einer Leitung bereitgestellt. Die Batteriezellenfahne und die Leitung bestehen aus einem Material, das unabhängig aus Aluminium, Aluminiumlegierungen, Kupfer, Kupferlegierungen oder mit Nickel plattiertem Kupfer oder mit Nickel plattierten Kupferlegierungen gewählt wird. Das Verfahren umfasst, dass eine Anordnung aus der mindestens einen Batteriezellenfahne und der Leitung vorbereitet wird, bei der eine erste Fügefläche einer Batteriezellenfahne einer ersten Fügefläche der Leitung zugewandt ist, wobei mindestens eine Fügefläche eine Lötmittelschicht darauf aufweist; dass die Anordnung zusammengedrückt wird, sodass die einander zugewandten Fügeflächen mit dem Lötmittel in Eingriff treten, und dass das Lötmittel auf eine Temperatur über einer Schmelztemperatur des Lötmittels in Abwesenheit eines Flussmittels erhitzt wird, während der Versatz der Fügeflächen auf einen vorbestimmten Wert begrenzt wird; und dass die Fügeflächen aneinander gehalten werden und das Lötmittel zur Erstarrung gebracht wird, um eine weichgelötete Fügestelle zwischen der mindestens einen Batteriezellenfahne und der Leitung auszubilden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1A–C sind eine Darstellung einer Ausführungsform eines Fügeverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.
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2A–C sind eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Fügeverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.
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3A–C sind eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Fügeverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.
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4A–B sind eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Fügeverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.
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5A–C sind eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Fügeverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die Erfindung ist ein Verfahren zum Zusammenfügen mehrerer Blechschichten, die aus Aluminium oder Kupfer hergestellt sind. Sie stellt einen exzellenten elektrischen Kontakt, ausreichende Festigkeit und Umkehrbarkeit bereit. Die Erfindung verwendet erhitzte Aufspannplatten in Kombination mit optionalen Ultraschallvibrationen, um die dünnen Batterieblechfahnen und die Leitung mit großer Dicke zusammen zu Jäten. Nachdem die Fahnen, die Leitung und die Lötmittellegierung korrekt angeordnet sind, werden erhitzte Aufspannplatten und optional ein Ultraschallüberträger (Sonotrode) mit dem Stapel in Kontakt gebracht. Die Aufspannplatten enthalten vorzugsweise einen Temperaturfühler zur Temperaturregelung. Der Kontakt zwischen den Aufspannplatten und dem Stapel bewirkt, dass das Lötmittel schmilzt.
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Die mit der Leitung und/oder den Aufspannplatten gekoppelten optionalen Ultraschallüberträger leiten Vibrationen in den Stapel ein, welche Oberflächenoxide an den Substratmaterialien durchbrechen. Dies ermöglicht die Ausbildung eines engen metallurgischen Kontakts zwischen allen Schichten. Ein Steuern des maximalen Zusammenfahrens der Aufspannplatten durch Verwenden entweder einer Servozange oder von mechanischen Anschlägen verhindert ein übermäßiges Herausdrücken des Lötmittels. Sobald ein Benetzen der Substrate auftritt, wird die Hitze abgeschaltet, um das Lötmittel zur Erstarrung zu bringen.
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Um zu verhindern, dass übermäßige Hitze der Blechelektrode entlang nach unten in die Batteriezelle hinein übertragen wird, kann eine zweite gekühlte Aufspannplatte nach Wunsch direkt unterhalb der erhitzten Aufspannplatten an die Elektrode geklemmt werden. Diese gekühlte Aufspannplatte dient auch dem Zweck des Erstarrenlassens/Festklemmens des geschmolzenen Lötmittels, um zu verhindern, dass es die empfindliche Batteriezelle erreicht. Um weiter zu verhindern, dass geschmolzenes Lötmittel mit der Batteriezelle in Kontakt tritt, soll eine allmähliche Zunahme des Spalts zwischen den Blechen eine Kapillarbewegung des Lötmittels verlangsamen. Zudem kann die Batterie umgedreht werden, wodurch ermöglicht wird, dass die Schwerkraft alles überschüssige Lötmittelmetall von der Zelle weg zieht. Als Alternative kann eine ”Abstopp”-Beschichtung verwendet werden, um die Bleche unterhalb der zu verlötenden Bereiche zu beschichten. Eine derartige Beschichtung würde die Fähigkeit zum Benetzen der Oberfläche verringern, sodass das Lötmittel nicht leicht über Flächen hinausfließen kann, die zum Zusammenfügen gedacht sind.
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1–5 stellen verschiedene Ausführungsformen des Weichlötverfahrens dar. Die Zellentasche ist in 1–5 nicht gezeigt.
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Bei einer in 1A–C gezeigten Ausführungsform gibt es drei Batteriezellenfahnen 105 mit einem Lötmittel 110, das auf die beabsichtigten Verbindungsoberflächen aufgebracht ist. Das Lötmittel 110 kann in der Fügestelle auf verschiedene Weise vorplatziert werden, welche umfassen, aber nicht beschränkt sind auf ein Vorbeschichten der Substrate in Streifen- oder Spiralenform durch Tauchlöten, Schwalllöten, Ultraschalllöten oder Galvanisieren. Alle diese Verfahren stellen sicher, dass das Substrat mit der Lötmittellegierung benetzt wurde. Da dieser Prozess ein Vorbenetzen des Substrats durch die Lötmittellegierung nicht benötigt (obwohl ein Vorbenetzen zulässig ist), können außerdem auch andere Formen des Aufbringens des Lötmittelmaterials verwendet werden, welche umfassen, aber nicht beschränkt sind auf Pulver, Drähte oder Bänder. Zum Beispiel kann Lötmittel in Pulverform auf die Substrate an den gewünschten Stellen mit Siebdruck aufgebracht werden. Zudem ermöglicht der Prozess, dass das Lötmittel so gewählt wird, dass es mit den zusammenzufügenden Metallkombinationen übereinstimmt, z. B. Al zu Al, Cu zu Cu, Al zu Cu und plattierte Kombinationen.
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In Abhängigkeit von den Materialien, die zusammengefügt werden, können verschiedene Typen von Lötmittel verwendet werden. Geeignete Lötmittel für alle Substrate umfassen, sind aber nicht beschränkt auf reines Zn, Zn-Al-Legierungen wie etwa diejenigen, die bis zu 10% Al enthalten, und Zn-Sn-Legierungen, wie etwa diejenigen mit bis zu 90% Sn.
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Lötmittel, die zur Verwendung mit Kupfer geeignet sind, umfassen die vorstehend aufgeführten sowie Sn-Sb-Legierungen wie etwa diejenigen mit etwa 4,5 bis 5,5% Sb und Sn-Ag-Legierungen wie etwa diejenigen mit etwa 3,4 bis etwa 5,8% Ag. Sn-Pb- und Sn-Cd-Legierungen können auch verwendet werden, um Cu mit Cu zusammenzufügen. Die Verwendung von Lötmitteln, die Pb und/oder Cd enthalten, ist aus Umweltschutzgründen jedoch nicht wünschenswert.
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Zum Zusammenfügen blanker Aluminiumfahnen mit entweder blankem Aluminium, Kupfer oder nickelplattiertem Kupfer wäre die Lötmittellegierung typischerweise eine Sn-Zn-Legierung. Die Lötmittel können mit einer Kombination von 15 bis 40 Gew.-% Zink und 1 bis 2 Gew.-% Aluminium gewählt werden, um das galvanische Potential zwischen der Lötmittellegierung und dem Aluminiumsubstrat zu verringern. Der hohe Anteil an Zn verringert eine Korrosion zwischen dem Lötmittel und Aluminium.
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Zum Zusammenfügen von blankem Kupfer oder nickelplattiertem Kupfer oder Aluminiumsubstraten wäre eine typische Lötmittellegierung eine Sn-Sb-Legierung, zum Beispiel eine Legierung mit 95% Sn/5% Sb. Die Legierung ist sowohl blei- als auch cadmiumfrei. Im Vergleich mit Pb-Sn-Lötmitteln weist sie zusätzlich eine viel höhere Zugfestigkeit auf, während sie eine gute elektrische Leitfähigkeit beibehält.
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Die lötmittelbeschichteten Batteriezellenfahnen 105 und eine lötmittelbeschichtete Kupfer- oder Aluminiumleitung 115 werden zwischen Aufspannplatten 120, 125 positioniert. In Abwesenheit eines Flussmittels werden die Aufspannplatten 120, 125 erhitzt. Auf Wunsch kann die Temperatur mit einem Temperaturfühler geregelt werden. Die Aufspannplatten werden vor dem Kontaktieren typischerweise auf die Fügetemperatur erhitzt, die über der Lötmittelschmelztemperatur liegt (typischerweise ein gutes Stück über der Lötmittelschmelztemperatur), um die Prozesszeit zu verringern. Dies ist jedoch nicht notwendig und sie können nach denn Kontaktieren auf die Fügetemperatur erhitzt werden. Die Aufspannplatten verwenden typischerweise ebene Stirnseiten für einen maximalen Hitzetransfer. Optional kann jede der Aufspannplatten 120, 125 auf eine andere Temperatur geregelt werden, welche von den zusammenzufügenden Materialien, den Lötmittellegierungen und der Materialdicke abhängt.
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Die erhitzten Aufspannplatten 120, 125 bewegen sich zusammen und üben Druck auf die Batteriezellenfahnen 105 aus, wie in 1B gezeigt ist. Die Hitze verflüssigt das Lötmittel 110, das nach unten zu optionalen gekühlten Aufspannplatten 130, 135 läuft. Die optionalen gekühlten Aufspannplatten 130, 135 können unterhalb der erhitzten Aufspannplatten 120, 125 an die Elektrode geklemmt sein, um zu verhindern, dass zu viel Hitze entlang der Blechelektrode nach unten in die Batteriezelle übertragen wird und die Batteriezelle beschädigt, und um für eine schnelle Erstarrung des Lötmittels zu sorgen. Die gekühlten Aufspannplatten können ein Zwangskühlungssystem unter Verwendung von Luft, Wasser oder anderen Mitteln enthalten, um eine Massenproduktion zu ermöglichen.
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Der Fügespalt zwischen den Aufspannplatten 120, 125 kann auf Wunsch gesteuert werden, indem entweder Servozangen oder mechanische Anschläge verwendet werden, um ein übermäßiges Herausdrücken des Lötmittels zu verhindern.
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2A–C zeigen einen alternativen Prozess, bei dem die gekühlten Aufspannplatten 130, 135 mit den erhitzten Platten 120,125 zusammenmontiert sind und durch Isolatoren 140 von diesen getrennt sind. Die lötmittelbeschichteten Batteriezellenfahnen 105 werden zusammen mit der Leitung 115 zwischen den kombinierten erhitzten Aufspannplatten 120, 125 und gekühlten Aufspannplatten 130, 135, die durch die Isolatoren 140 getrennt sind, positioniert. Die erhitzten Aufspannplatten 120, 125 werden mit den Batteriezellenfahnen 105 und der Leitung 115 kontaktiert, wodurch das Lötmittel schmilzt, das nach unten läuft. Die Aufspannplatten werden dann nach oben bewegt und die gekühlten Aufspannplatten 130, 135 kontaktieren den Fügebereich, um das Lötmittel abzukühlen und erstarren zu lassen.
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Bei der Ausführungsform von 3A–C kontaktieren erhitzte Platten 120, 125 den Stapel aus Batteriezellenfahnen 105 und der Kupferleitung 115. Eine Sonotrode 145 wird an der dicken Kupferleitung 115 platziert, um eine Ultraschallerregung bereitzustellen. Beim Erhitzen durchbricht Vibrationsenergie von der Sonotrode 145 die Oberflächenoxide und ermöglicht, dass das geschmolzene Lötmittel 110 einen metallurgischen Kontakt herstellt. Ein Abschalten der Hitzequelle ermöglicht, dass sich die Aufspannplatten abkühlen und das Lötmittel erstarrt. Im Fall eines übermäßigen Hitzeflusses oder Herausdrückens von Lötmittel zur Batteriezelle hin können gekühlte Aufspannplatten 130, 135 unterhalb des Fügebereichs angeordnet sein.
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Bei der vorstehend beschriebenen Art von Lötmittelverbindung können die Fügestellen leicht getrennt werden, indem Hitze und ein Mechanismus zum Trennen der Fahnenblechmaterialien bereitgestellt werden. Heizelemente, die den in 1–3 gezeigten ähneln, können verwendet werden, um das Lötmittel zu erhitzen, und dünne Drähte oder Stäbe können verwendet werden, um die Fahnen/die Leitung zu trennen, nachdem das Lötmittel geschmolzen ist. Dies lässt eine Lötmittelbeschichtung sowohl an den Fahnenmaterialien als auch den Leitungen übrig. Diese Beschichtungen stellen sicher, dass das Lötmittel für den erneuten Zusammenbau das Substrat bereits benetzt hat. Für den erneuten Zusammenbau werden die Fügestellen höchstwahrscheinlich zusätzliches Lötmittelmaterial benötigen, welches am Ort der Fügestelle als Band, Draht, Pulver usw. platziert werden kann. Sobald das zusätzliche Lötmittelmaterial platziert ist, kann der gleiche Erhitzungsmechanismus wie in 1–3 gezeigt angewandt werden, um die Fügestelle wieder zu verlöten. Dies ermöglicht die Reparatur und den Austausch individueller Batteriezellen, was die Kosten verringert und die Flexibilität der Zusammenbau- und Reparaturprozesse erhöht.
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Eine weitere Ausführungsform ist in 4A–B gezeigt. In diesem Fall weist die Aufspannplatte 120 in Kontakt mit der Batteriezellenfahne 105 eine daran angebrachte Sonotrode 145 auf. Eine gerändelte Textur ist auf die Stirnseite der Aufspannplatte aufgebracht, um eine bessere Kopplung der Ultraschallenergie zwischen dem Werkzeug und der Batteriezellenfahne 105 zu erreichen. Unter Kraft, Hitze und Ultraschallerregung wird die gerändelte Aufspannplatte die Batteriezellenfahnen lokal deformieren. Bereiche in direktem Kontakt mit Vorsprüngen auf der gerändelten Stirnseite werden fest zusammengedrückt und haben die Gelegenheit zum Ausbilden von Ultraschallschweißpunkten. Blechmaterial, das die Vorsprünge umgibt, erleidet eine Deformation, die Spalten zwischen den Blechen ausbildet. Flüssiges Lötmittel füllt die Spalten aus. Nach der Erstarrung besteht die Struktur aus kleinen Flächen mit ultraschallgeschweißtem Material 155 umgeben von größeren Flächen aus gelötetem Material 160.
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5A–C stellen eine alternative Ausführungsform der Batteriezellenfahne dar. 5A–B zeigen Batteriezellenfahnen 105, in denen Leerstellen vorhanden sind. Die Leerstellen können beispielsweise ausgebildet werden, indem Löcher 165 durch die Zellenfahne 105 hindurchgestanzt werden, oder ein Gitterblech oder eine Gitterfahne 170 mit Leerstellen kann verwendet werden. Es können auch andere Verfahren zum Ausbilden von Leerstellen und andere Typen von Leerstellen verwendet werden. Das Lötmittel 110 wird auf eine der Batteriezellenfahnen 105 aufgebracht, zum Beispiel die Batteriezellenfahne in der Mitte des Stapels, wie in 5C gezeigt ist. Wenn die erhitzten Aufspannplatten an den Stapel angelegt werden, schmilzt das Lötmittel und läuft durch die Leerstellen in den Batteriezellenfahnen, sodass es eine oder mehrere der anderen Zellenfahnen und/oder die Leitung beschichtet. In Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Zellenfahnen, der Leitungen und des Lötmittels können die Zellenfahnen so konstruiert sein, dass sie Leerstellen enthalten, um zu ermöglichen, dass ein Lötmittel durch die Zellenfahnen hindurch läuft, oder dass sie keine Leerstellen enthalten, um das Lötmittel am Laufen zu hindern. Wenn die Leitung beispielsweise aus Kupfer besteht und die Zellenfahnen aus Aluminium bestehen, könnte die Zellenfahne, die der Leitung am Nächsten liegt, massiv sein, sodass das Sn-Zn-Lötmittel zwischen der Leitung und der Aluminiumzellenfahne nicht in das Zn-Al-Lötmittel zwischen den Aluminiumzellenfahnen läuft. Dies ist jedoch nicht notwendig.
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Alternativ kann eine mit Rillen versehene Zellenfahne verwendet werden. Die Rillen ermöglichen, dass zusätzliches Lötmittel angelagert werden kann, um die mechanische Festigkeit der Lötmittelfügestelle zu verbessern.
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Das Verfahren ermöglicht das Zusammenfügen mehrerer Materialschichten mit unterschiedlicher Dicke, etwa derjenigen die ein Dickenverhältnis zwischen der Leitung und den Fahnen von mindestens etwa 2:1, mindestens etwa 3:1 oder mindestens etwa 4:1 oder mindestens etwa 5:1 aufweisen.
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Es wird angemerkt, dass Begriffe wie ”vorzugsweise”, ”üblicherweise” und ”typischerweise” hier nicht verwendet sind, um den Umfang der beanspruchten Erfindung zu beschränken oder um zu implizieren, dass bestimmte Merkmale kritisch, essentiell oder überhaupt wichtig für die Struktur oder Funktion der beanspruchten Erfindung sind. Stattdessen sind diese Begriffe nur dazu gedacht, alternative oder zusätzliche Merkmale zu betonen, die in einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden können oder auch nicht.
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Zum Zweck der Beschreibung und Definition der vorliegenden Erfindung wird angemerkt, dass der Begriff ”Einrichtung” hier verwendet ist, um eine Kombination von Komponenten und individuelle Komponenten darzustellen, unabhängig davon, ob die Komponenten mit anderen Komponenten kombiniert sind. Zum Beispiel kann eine ”Einrichtung” gemäß der vorliegenden Erfindung eine elektrochemische Umsetzanordnung oder eine Brennstoffzelle, ein Fahrzeug, das eine elektrochemische Umsetzanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält, usw. umfassen.
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Zum Zweck der Beschreibung und Definition der vorliegenden Erfindung wird angemerkt, dass der Begriff ”im Wesentlichen” hier verwendet ist, um den inhärenten Grad an Unsicherheit darzustellen, der jedem quantitativen Vergleich, Wert, Messwert oder einer anderen Darstellung zugeordnet werden kann. Der Begriff ”im Wesentlichen” wird hier auch verwendet, um das Maß darzustellen, um welches eine quantitative Darstellung von einem angegebenen Bezug variieren kann, ohne dass dies zu einer Veränderung bei der grundlegenden Funktion des fraglichen Gegenstands führt.
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Nachdem die Erfindung im Detail und durch Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen derselben beschrieben wurde, ist es offensichtlich, dass Modifikationen und Variationen möglich sind, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen, der in den beigefügten Ansprüchen definiert ist. Obwohl einige Aspekte der vorliegenden Erfindung hier als bevorzugt oder besonders vorteilhaft bezeichnet sind, wird es insbesondere in Betracht gezogen, dass die vorliegende Erfindung nicht unbedingt auf diese bevorzugten Aspekte der Erfindung beschränkt ist.
