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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen einem elektrischen Leiter und einem elektrischen Kontaktteil. Ferner betrifft die Erfindung auch eine elektrische Leitungsanordnung mit einem Leiter und einem Kontaktteil. Die Leitungsanordnung eignet sich insbesondere zum Einsatz in einem Fahrzeug.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind bereits unterschiedliche Fügeverfahren zum Verbinden eines elektrischen Leiters mit einem elektrischen Kontaktteil bekannt.
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So ist beispielsweise aus der
DE 10 2013 209 314 B3 ein Ultraschallschweißverfahren zum Verbinden eines elektrischen Litzenleiters mit einem elektrischen Kontaktteil bekannt. Dabei werden die Einzeldrähte der Litze mit einer Anbindungsfläche des Kontaktteils stoffschlüssig verbunden. Die Litze kann aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung oder auch aus Kupfer gefertigt sein. Das Kontaktteil kann aus dem gleichen oder einem ähnlichen Werkstoff wie die Litze oder vorzugsweise aus einem Kupferwerkstoff gefertigt sein.
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Obwohl damit eine gute elektrische Verbindung zwischen den beiden Kontaktpartnern geschaffen wird, besteht der Wunsch nach einer höheren Flexibilität hinsichtlich der konstruktiven Ausgestaltung des Kontaktteils und/oder der zum Verbinden der Kontaktpartner erforderlichen Werkzeuge.
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Beschreibung der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine hinsichtlich des Konstruktionsaufwands flexiblere Möglichkeit zum Verbinden eines elektrischen Leiters mit einem elektrischen Kontaktteil zu schaffen.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, ein elektrisches Kontaktteil direkt an einem damit zu verbindenden elektrischen Leiter durch ein Urformverfahren auszubilden. Das Kontaktteil wird also nicht als vorgefertigtes Bauteil, zum Beispiel als Stanz-/Biegeteil oder ähnliches, bereitgestellt und zum Beispiel stoffschlüssig damit verbunden, sondern direkt an dem Leiter aus- bzw. urgeformt.
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Dementsprechend weist ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen dem elektrischen Leiter und dem elektrischen Kontaktteil die folgenden Schritte auf:
- – Zunächst wird der Leiter mit einem abisolierten oder freigelegten Leiterende bereitgestellt. Bei dem Leiter kann es sich beispielsweise um ein Kabel und/oder einen Litzenleiter mit einer Litze und einer Vielzahl von Einzeldrähten handeln.
- – Dann wird das Leiterende, zum Beispiel Litzenende, aufgeschmolzen. Es wird also eine Schmelze aus dem Leitermaterial gebildet, wobei das Material zum Beispiel Kupfer, eine Kupferlegierung, Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ist.
- – Danach wird an dem aufgeschmolzenen Leiterende ein Verbindungsabschnitt ausgeformt. Das heißt, dass die Schmelze in eine definierte geometrische Form gebracht wird, die sich als Verbindungsabschnitt hin zu dem damit zu verbindenden Kontaktteil eignet.
- – Dann wird das Kontaktteil an dem Verbindungsabschnitt derart schichtweise an- bzw. urgeformt, dass das Leiterende direkt durch das Kontaktteil kontaktiert wird. Das Kontaktteil wird also nicht als vorgefertigtes, separates Bauteil bereitgestellt, sondern direkt an den Verbindungsabschnitt des Leiters schichtweise bzw. schrittweise an- bzw. urgeformt. Zwischen den beiden Kontaktpartnern besteht damit eine vorzugsweise stoffschlüssige Verbindung. Das Kontaktteil kann zum Beispiel ein Blechteil, ein Kabelschuh, ein Stecker oder ein anderes elektrisches Kontaktelement sein. Das vorzugsweise pulverförmige Ausgangsmaterial für das Urformen kann das Leitermaterial sein oder beinhalten oder, alternativ dazu, aus einem dazu unterschiedlichen Material bestehen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bewirkt gleich mehrere vorteilhafte Effekte. So lässt sich eine Leitungsanordnung mit dem Leiter und Kontaktteilen in unterschiedlichen Ausführungsformen schnell und kurzfristig herstellen. Es wird eine hohe Flexibilität hinsichtlich der konstruktiven Ausgestaltungsmöglichkeiten der Leitungsanordnung erreicht. Das Verfahren eignet sich aufgrund der kurzfristigen Herstellung insbesondere im Rapid Prototyping zur Prototypenfertigung, wenn mehrere Alternativkonzepte kurzfristig auf ihre Machbarkeit untersucht werden sollen. Daneben eignet sich das Verfahren aufgrund der immer höher werdenden Laserleistungen aber auch zum Rapid Manufacturing. Denkbar ist damit auch eine Serienfertigung.
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Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das schichtweise Urformen durch bzw. im 3D-Druck erfolgt, insbesondere durch selektives Laserschmelzen, Elektronenstrahlschmelzen, selektives Lasersintern oder ein anderes Schichtbauverfahren. Das Kontaktteil wird also auf das Leiterende aufgedruckt oder aufgesintert. Es kann dabei direkt aus einem CAD-Modell urgeformt werden, so dass eine hohe Flexibilität hinsichtlich der konstruktiven Ausgestaltung gegeben ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung kann dem Kontaktteil während des Urformens vorzugsweise schichtweise ein Zusatzwerkstoff zulegiert werden. Damit lassen sich abschnittsweise bestimmte Materialeigenschaften einstellen. Beispielsweise können die mechanische Festigkeit und/oder Härte des Kontaktteils, beispielsweise durch das Zulegieren von Silizium, Mangan, Magnesium, Zink etc., abschnittsweise eingestellt werden, um die Festigkeit und/oder Härte nach und nach zu erhöhen. Außerdem kann auch im Hinblick auf die elektrochemische Spannungsreihe die elektrochemische Verträglichkeit zwischen den beiden Kontaktpartnern verbessert werden, indem ein verträglicherer Werkstoff verwendet oder zulegiert wird.
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Für eine gute elektrochemische Verträglichkeit zwischen den Kontaktpartnern kann beim Urformen zunächst eine oder mehrere Schichten mit einem zu dem Leitermaterial ähnlichen oder identischen Ausgangsmaterial geformt werden und in den folgenden Schichten der Zusatzwerkstoff zulegiert werden. Zum Beispiel können das Leiterende und der daraus geformte Verbindungsabschnitt aus Al99,5 bestehen. Auf diesen Verbindungsabschnitt kann beispielsweise eine, zwei, drei oder mehr Schichten aus ebenfalls Al99,5 urgeformt werden, um so eine gute Materialverträglichkeit zwischen den Kontaktpartnern – dem Leiterende und dem urzuformenden Kontaktteil – zu erreichen. In den folgenden Schichten kann vorzugsweise schrittweise 0,5% Silizium oder ähnliches zulegiert werden, so dass schichtweise die gewünschten mechanischen und/oder elektrochemischen Eigenschaften des Kontaktteils erreicht werden.
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Um eine stabile Verbindung des Kontaktteils bzw. der damit versehenen Leitungsanordnung zu erreichen, kann der Zusatzwerkstoff an einem von dem Verbindungsabschnitt abgewandten Anschlussabschnitt hin zu einem Gegenkontaktelement zulegiert werden. Das heißt, dass die Leitungsanordnung bestehend aus dem Leiter und dem daran ausgeformten Kontaktteil auf mechanisch stabile Weise mit einem Gegenkontaktelement verbunden werden kann.
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Es hat sich für das Urformen bzw. Aufdrucken oder Aufsintern des Kontaktteils als vorteilhaft erwiesen, wenn der Verbindungsabschnitt mit einer Anbindungsfläche ausgeformt wird, die senkrecht zu der Erstreckungsrichtung, also der Längsrichtung, des Leiters ausgerichtet ist. Zum Beispiel kann der Verbindungsabschnitt mit der daran befindlichen Anbindungsfläche tellerförmig ausgeformt werden. Damit bildet der Leiter mit dem Verbindungsabschnitt eine im Wesentlichen T-Form.
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Es ist auch möglich, dass dem Leiterende beim Aufschmelzen oder Ausformen des Verbindungsabschnitts ein Zusatzwerkstoff zulegiert wird. Dadurch lassen sich die Eigenschaften der Verbindung hin zum Kontaktteil noch genauer einstellen. Beispielsweise kann der Zusatzwerkstoff so gewählt werden, dass eine gute Materialverträglichkeit und/oder eine gute mechanische Festigkeit hin zum Kontaktteil gegeben ist.
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Es hat sich auch als vorteilhaft erwiesen, wenn das Aufschmelzen des Leitermaterials durch einen Laser erfolgt. Mit dem Laser lässt sich das Leitermaterial gezielt und genau aufschmelzen und eine ausformbare Schmelze des Leitermaterials erzeugen.
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Um zu verhindern, dass die Schmelze beim Aufschmelzen ungezielt weg- oder verläuft, kann das Aufschmelzen in einer Schmelzbadsicherung erfolgen.
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Das Verfahren lässt sich besonders vorteilhaft einsetzen, wenn als Leiter ein Litzenleiter mit einer Litze und einer Vielzahl von Einzeldrähten aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung verwendet wird. Denn z.B. lässt sich aus der Litze gut der Verbindungsabschnitt ausformen.
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Die Erfindung betrifft auch eine elektrische Leitungsanordnung, die sich insbesondere für ein Fahrzeug, zum Beispiel im Hochvolt-Bereich, zum Batterieanschluss oder Einzelleitungen mit Leitungsquerschnitten von 6 mm2 bis 160 mm2 eignet. Die erfindungsgemäße Leitungsanordnung ist vorzugsweise nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt. Die Leitungsanordnung weist einen elektrischen Leiter auf, bei dem an einem abisolierten oder freigelegten Leiterende ein Verbindungsabschnitt ausgeformt ist. Zudem verfügt die Leitungsanordnung über ein an dem Verbindungsabschnitt direkt angebrachtes elektrisches Kontaktteil, das an dem Verbindungsabschnitt urgeformt bzw. ausgeformt ist.
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Kurze Figurenbeschreibung
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Nachfolgend wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert. Es zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Leitungsanordnung mit einem elektrischen Leiter und einem daran aus- bzw. urgeformten elektrischen Kontaktteil,
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2A einen abisolierten elektrischen Leiter, vor oder während eines Aufschmelzens seines Leiterendes, und
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2B den elektrischen Leiter aus 2A, bei dem das Leiterende zu einem Verbindungsabschnitt ausgeformt ist, während eines Ur- bzw. Ausformens eines Kontaktteils.
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Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer Schnittdarstellung eine Leitungsanordnung 100, die sich insbesondere zur Verwendung in einem Fahrzeug eignet. Beispielsweise kann diese als Hochvoltleitung, als Batterieanschlussleitung oder als Einzelleitung verwendet werden.
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Die Leitungsanordnung 100 weist einen elektrischen Leiter 1 auf, der hier als Litzenleiter aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgeführt ist. Dementsprechend verfügt der Leiter 1 über eine Litze 2 mit einer Vielzahl von Einzeldrähten 3. Die Litze 2 ist von einer elektrischen Isolierung 4 umgeben, die an einem Leiterende 5, das heißt einem Freilegungsabschnitt, des Leiters 1 zum Freilegen der Litze 2 bzw. der Einzeldrähte 3 entfernt worden ist. An dem freigelegten Leiterende 5 der Litze 2 ist ein hier tellerförmiger Verbindungsabschnitt 6 mit einer von der Litze 2 abgewandten Anbindungsfläche 7 ausgeformt. Es ist zu erkennen, dass die Anbindungsfläche 7 senkrecht zu einer Erstreckungs- bzw. Längsrichtung L des Leiters 1 ausgerichtet ist, so dass diese bezogen auf den Leiter 1 stumpf ist.
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Des Weiteren weist die Leitungsanordnung 100 ein elektrisches Kontaktteil 8 auf, das über einen Anbindungsabschnitt 9 mit dem Verbindungsabschnitt 6 bzw. der Anbindungsfläche 7 stoffschlüssig verbunden ist. Das Kontaktteil 8 ist durch ein Schichtbauverfahren, nämlich hier in einem 3D-Druckverfahren, direkt an den Verbindungsabschnitt 6 urgeformt, also angeformt. Zum Verbinden mit einem (nicht dargestellten) Gegenkontaktelement zu der Leitungsanordnung 100 verfügt das Kontaktteil 8 über einen Anschlussabschnitt 10, der von dem Anbindungsabschnitt 9 bzw. dem Verbindungsabschnitt 6 abgewandt ist. In diesem Ausführungsbeispiel sind der Anbindungsabschnitt und der Anschlussabschnitt 10 zueinander rechtwinklig angeordnet. Der Anschlussabschnitt 10 ist hier exemplarisch mit einer Durchgangsöffnung versehen, so dass das Kontaktteil 8 exemplarisch als eine Art Kabelschuh ausgeführt ist.
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Außerdem sind hier die Litze 2 des Leiters 1 und damit auch der Verbindungsabschnitt 6 beispielsweise aus Aluminium, nämlich Al99,5, und das Kontaktteil 8 aus einer schichtweise aufgebauten, im Ausgangsmaterial pulverförmig vorliegenden Aluminiumlegierung gefertigt.
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Anhand der 2A und 2B, die eine Schnittdarstellung der noch nicht fertiggestellten Leitungsanordnung 100 zeigen, soll nun im Folgenden ein Verfahren zum Herstellen der elektrischen Verbindung zwischen dem Leiter 1 und dem Kontaktteil 8 erläutert werden.
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Zunächst wird, wie in 2A angedeutet, der Leiter 1 mit der im Freilegungsabschnitt, also dem Leiterende 5, freigelegten Litze 2 bereitgestellt. Die Litze 2 wird in eine (schematisch dargestellte) Schmelzbadsicherung 11 eingebracht und darin fixiert. Die Schmelzbadsicherung 11 wirkt mit einer (schematisch dargestellten) Lasereinrichtung 12 zusammen, die auf die Litze 2 ausgerichtet ist. Die Schmelzbadsicherung 11 dient dazu, zum einen die Litze 2 zu fixieren und zum anderen ein Weglaufen des Litzenmaterials, also des aufgeschmolzenen Al99,5, zu vermeiden. Dann wird das Litzenmaterial der Litze 2 über die Lasereinrichtung 12 abschnittsweise aufgeschmolzen und aus der Schmelze des Litzenmaterials der Verbindungsabschnitt 6 ausgeformt. Hierfür kann die Schmelzbadsicherung 11 mit einem (nicht dargestellten) Formwerkzeug, wie etwa einem Stempel, zusammenwirken, das das aufgeschmolzene Litzenmaterial in eine definierte geometrische Form bringt, um so den Verbindungsabschnitt 6 auszuformen.
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Wie in 2B angedeutet, wird dann das Kontaktteil 8 an dem zuvor ausgeformten Verbindungsabschnitt 6 durch direktes, schichtweises Auftragen urgeformt. Hierzu ist eine hier als 3D-Druckeinrichtung ausgeführte (schematisch dargestellte) Schichtbaueinrichtung 13 vorgesehen, die das Kontaktteil 8 schichtweise auf den Verbindungsabschnitt 6 aufdruckt. Damit wird das Kontaktteil also direkt auf den Verbindungsabschnitt 6 aufgedruckt, das heißt direkt daran urgeformt.
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Dem Kontaktteil 8 wird aus einem pulverförmigen Ausgangsmaterial, das wiederum Al99,5 ist, jedoch ein Zusatzwerkstoff, bei dem es sich hier um Silizium handelt, zulegiert. Zunächst werden zum Beispiel drei oder mehr Schichten aus dem unlegierten Al99,5 aufgetragen, um so eine gute Materialverträglichkeit zu dem Litzenmaterial Al99,5 des Verbindungsabschnitts 6 zu erreichen. Dann wird schrittweise bzw. schichtweise das Silizium zulegiert, also aufgedruckt, um abschnittsweise, zum Beispiel hin zum oder im Anschlussabschnitt 10, andere Materialeigenschaften, wie etwa eine höhere mechanische Festigkeit, zu schaffen.
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Ausgehend von dem dargestellten Ausführungsbeispiel können die erfindungsgemäße Leitungsanordnung 100 und das Herstellungsverfahren in vielerlei Hinsicht abgewandelt werden. Zum Beispiel muss das Kontaktteil 8 nicht zwingend als Kabelschuh ausgebildet werden, sondern kann eine andere Form aufweisen, damit es sich auch für andere Anschlussarten eignet. Es ist auch möglich, dass der Verbindungsabschnitt 6 nicht tellerförmig ist, sondern eine andere geometrische Form aufweist, die bedruckbar oder besinterbar ist. Auch kann statt dem 3D-Drucken ein anderes Schichtbauverfahren, wie etwa selektives Laserschmelzen, Elektronenstrahlschmelzen oder selektives Lasersintern, eingesetzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Leitungsanordnung
- 1
- Elektrischer Leiter
- 2
- Litze
- 3
- Vielzahl von Einzeldrähten
- 4
- Isolierung
- 5
- freigelegtes Leiterende / Freilegungsabschnitt
- 6
- Verbindungsabschnitt
- 7
- Anbindungsfläche
- 8
- Elektrisches Kontaktteil
- 9
- Anbindungsabschnitt
- 10
- Anschlussabschnitt
- 11
- Schmelzbadsicherung
- 12
- Lasereinrichtung
- 13
- Schichtbaueinrichtung (z.B. 3D-Drucker)
- L
- Längsrichtung
