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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen Laserbondverbindung nach Gattung des unabhängigen Anspruchs.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Ausführung eines solchen Verfahrens zur Herstellung einer stoffschlüssigen Laserbondverbindung.
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Offenbarung der Erfindung
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Ein Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen Laserbondverbindung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs bietet den Vorteil, dass eine insbesondere durch eine Verformung eines Bondelements während des Verfahrens auftretende Kaltverfestigung verringert oder auch kompensiert werden kann.
Des Weiteren bietet eine Erwärmung des Bondelements den Vorteil, dass ein temperiertes Bondelement zur Verfügung gestellt werden kann, was auch während des Füge- und/oder Verformungsprozesses des Bondelements vorteilhaft sein kann.
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Dazu wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen Laserbondverbindung zur Verfügung gestellt.
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Dabei wird in einem ersten Verfahrensschritt ein aus einem ersten Material ausgebildetes Bondelement bereitgestellt.
Weiterhin wird in einem zweiten Verfahrensschritt ein aus einem zweiten Material ausgebildetes Kontaktelement bereitgestellt.
In einem dritten Verfahrensschritt wird das Bondelement erwärmt.
Des Weiteren werden in einem vierten Verfahrensschritt das Bondelement und das Kontaktelement unter Einwirkung eines Lasers gefügt miteinander verbunden.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen angegeben Vorrichtungen möglich.
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Hierzu sei an dieser Stelle bemerkt, dass unter einer Laserbondverbindung eine mittels Laserbondens ausgebildete Verbindung bezeichnet sein soll, wobei es sich bei dem Laserbonden um ein Kombinationsverfahren handelt, bei welchem die Verbindung mittels eines Laserfügeprozesses ausgebildet wird.
Somit unterscheidet sich das Laserbonden beispielsweise von einem Ultraschallbonden, bei welchem die Verbindung mittels eines Ultraschallfügeprozesses ausgebildet wird.
Somit ergeben sich bei einem mittels Laserbondens ausgeführten Verfahren weiterhin verschiedene, neue Anwendungsmöglichkeiten.
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Es ist dabei zweckmäßig, wenn das erste Material ausgewählt wird aus Aluminium, Kupfer oder Nickel.
Somit kann ein aus einem metallischen Werkstoff ausgebildetes Bondelement mit einer ausreichenden elektrischen Leitfähigkeit zur Verfügung gestellt werden. Beispielsweise kann ein solches Bondelement zur Kontaktierung und/oder Verschaltung von elektrischen Komponenten eines Batteriemoduls, wie beispielsweise von Spannungsabgriffen von Batteriezellen, eingesetzt werden.
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Weiterhin ist es auch zweckmäßig, wenn das zweite Material ausgewählt wird aus Aluminium, Kupfer und/oder Nickel.
Somit kann ein aus einem metallischen Werkstoff ausgebildetes Kontaktelement mit einer ausreichenden elektrischen Leitfähigkeit zur Verfügung gestellt werden. Beispielsweise kann ein solches Kontaktelement ein Kontaktelement eines Batteriemoduls, wie beispielsweise ein Spannungsabgriff einer Batteriezelle, sein.
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Vorteilhafterweise weist das Bondelement eine senkrecht zu einer Längsrichtung des Bondelements angeordnete Querschnittsfläche auf. Dabei weist die Querschnittsfläche des Bondelements eine quadratische, rechteckige oder runde Form auf.
Somit ist es möglich, unterschiedliche Ausführungsformen eines Bondelements, welche an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden können, zur Verfügung zu stellen.
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Es ist auch vorteilhaft, wenn das Bondelement eine senkrecht zu einer Längsrichtung des Bondelements angeordnete Breite aufweist.
Dabei weist die Breite des Bondelements einen Wert kleiner als 5 cm auf. Bevorzugt weist die Breite des Bondelements einen Wert kleiner als 1 cm auf. Insbesondere weist die Breite des Bondelements einen Wert kleiner als 0,5 cm auf.
Beispielsweise kann die Breite des Bondelements einen Wert von 0,1 cm aufweisen.
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Insbesondere Bondelemente mit verhältnismäßig großen Querschnittsflächen bzw. verhältnismäßig großen Breiten sind aufgrund einer Kaltverfestigung während der Verformung des Bondelements vergleichbar schlechter zu verarbeiten bzw. zu verformen und zu fügen, was dazu führen kann, dass die Fügeverbindung zwischen dem Bondelement und dem Kontaktelement hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt wird, welche zu einer Beschädigung der Fügeverbindung führen können.
Somit ist es beispielsweise mit größeren Querschnittsflächen bzw. mit größeren Breiten möglich, bei dem Einsatz eines Bondelements in einem Batteriemodul eine ausreichende Leitung des elektrischen Stroms zur Verfügung zu stellen.
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Vorteilhafterweise wird die Erwärmung des Bondelements in dem dritten Verfahrensschritt mittels einer elektromagnetischen Induktion oder mittels einer weiteren Lasereinwirkung ausgeführt.
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Dabei kann die weitere Lasereinwirkung bevorzugt mit demselben Laser aber vor der Ausbildung der gefügten Verbindung zwischen dem Bondelement und dem Kontaktelement mit dem Laser ausgeführt werden.
Weiterhin kann die Erwärmung beispielsweise auch mittels einer Temperaturkammer erfolgen.
Somit ist es möglich, die Kaltverfestigung des Bondelements zu verringern. Insbesondere ist es dabei vorteilhaft möglich, die Kaltverfestigung des Bondelements vor der Ausführung des vierten Verfahrensschritts, in welchem das Bondelement und das Kontaktelement unter Einwirkung eines Lasers gefügt miteinander verbunden werden, zu verringern.
Die Kaltverfestigung des Bondelements kann dabei beispielsweise durch Verformungen des Bondelements oder auch durch Umlenkungen des Bondelements während der Zufuhr des Bondelements zur Fügestelle in einer Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens ausgebildet werden.
Dadurch ist es möglich, die Kaltverfestigung, die das Bondelement während der Ausführung des Verfahrens erfährt, durch eine Erwärmung des Bondelements zu minimieren oder auch ganz zu kompensieren, wodurch insgesamt die während des Verfahrens auf das Bondelement einwirkenden mechanischen Belastungen reduziert werden können.
Insbesondere ist es somit möglich, dass die Wärmeeinheit das Bondelement erwärmen kann, ohne Taktzeiten während des Verfahrens zu beeinträchtigen. Mit anderen Worten ausgedrückt, kann die Erwärmung mittels der Wärmeeinheit auch als ein „inline-Rekristallationsglühen“ oder „Weichglühen“ bezeichnet werden.
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Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung ist das in dem zweiten Verfahrensschritt bereitgestellte Kontaktelement ein Spannungsabgriff einer Batteriezelle eines Batteriemoduls oder ein Überwachungssystem eines Batteriemoduls.
Somit ist es beispielsweise zum einen möglich, Batteriezellen eines Batteriemoduls elektrisch leitend seriell und/oder parallel miteinander zu verbinden.
Weiterhin ist es beispielsweise zum anderen möglich, eine Batteriezelle elektrisch leitend mit dem Überwachungssystem des Batteriemoduls zu verbinden.
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Insgesamt ist es mit einem erfindungsgemäßen Verfahren dabei möglich, Batteriezellen eines Batteriemoduls elektrisch zu kontaktieren und/oder einzelne Batteriezellen eines Batteriemoduls elektrisch leitend miteinander zu verbinden, wodurch die Batteriezellen auf flexible Weise zu einem Batteriemodul mit einer Mehrzahl an elektrisch leitend verbundenen Batteriezellen verschaltet sein können.
An dieser Stelle sei noch angemerkt, dass solche Bondelemente bevorzugt aus einem metallischen Werkstoff, wie beispielsweise Aluminium, Kupfer oder Nickel ausgebildet sind und bevorzugt eine Breite aufweisen, welche eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit zur Verfügung stellt.
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Insbesondere weist dabei das in dem ersten Verfahrensschritt bereitgestellte Bondelement ein erstes Ende und ein zweites Ende auf.
Weiterhin kann dabei das erste Ende mit dem Spannungsabgriff einer Batteriezelle gefügt verbunden werden und das zweite Ende mit dem Spannungsabgriff einer weiteren Batteriezelle gefügt verbunden werden.
Somit ist eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Batteriezelle und der weiteren Batteriezelle möglich.
Weiterhin kann dabei das erste Ende mit dem Spannungsabgriff einer Batteriezelle gefügt verbunden werden und das zweite Ende mit dem Überwachungssystem des Batteriemoduls gefügt verbunden werden.
Somit ist eine elektrische Kontaktierung der Batteriezelle möglich.
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Vorteilhafterweise wird in einem fünften Verfahrensschritt nach der Herstellung einer Verbindung des Bondelements mit dem Kontaktelement das Bondelement an einer nicht mit dem Kontaktelement verbundenen Stelle durchtrennt. Somit ist es möglich, das Bondelement aus einem Endlosmaterial zur Verfügung zu stellen.
Insbesondere bei der Durchtrennung des Bondelements an einer nicht mit dem Kontaktelement verbundenen Stelle treten hohe mechanische Belastungen an der Fügestelle auf, welche durch eine Erwärmung des Bondelements verringert werden können.
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Gemäß einem zweckmäßigen Aspekt der Erfindung wird das Bondelement vor der Ausführung des dritten Verfahrensschritts verformt.
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Somit ist es möglich, ein der jeweiligen Anforderungen angepasstes Bondelement zur Verfügung zu stellen und die während der Verformung auftretende Kaltverfestigung mittels einer Erwärmung zu minimieren. Insbesondere sei an dieser Stelle angemerkt, dass die Verformung des Bondelements auch nach der Ausführung des dritten Verfahrensschrittes erfolgen kann, wodurch eine einfachere Verformung ermöglicht wird.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Ausführung eines eben beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Laserbondverbindung.
Dabei weist die Vorrichtung ein zu einer Aufnahme eines Bondelements ausgebildetes erstes Aufnahmeelement auf.
Dabei weist die Vorrichtung weiterhin ein zu einer Aufnahme eines Kontaktelements ausgebildetes zweites Aufnahmeelement auf.
Des Weiteren weist die Vorrichtung eine zu einer Erwärmung des Bondelements ausgebildete Wärmeeinheit auf.
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Ferner weist die Vorrichtung eine Fügeeinheit aus, welche dazu ausgebildet ist, dass Bondelement unter Einwirkung eines Lasers gefügt mit dem Kontaktelement zu verbinden.
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Eine solche beschriebene Vorrichtung weist selbstverständlich auch die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Vorteile auf.
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Es ist dabei zweckmäßig, wenn die Wärmeeinheit der Vorrichtung weiterhin dazu ausgebildet ist, das Bondelement mittels elektromagnetischer Induktion oder mittels Lasereinwirkung zu erwärmen.
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Bevorzugt weist die Vorrichtung dabei weiterhin eine Schneideinheit auf, welche dazu ausgebildet ist, das Bondelement an einer nicht mit dem Kontaktelement verbundenen Stelle zu durchtrennen.
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Es ist dabei von Vorteil, wenn die Vorrichtung eine Verformungseinheit aufweist, welche zu einer Verformung des Bondelements ausgebildet ist.
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Zweckmäßigerweise umfasst die Vorrichtung weiterhin eine Fördereinrichtung, welche zu einer Förderung des Bondelements relativ zu dem Kontaktelement ausgebildet ist.
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Figurenliste
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Ausführungsformen der Erfindung sind in der einzigen Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigt
- 1 schematisch den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Vorrichtung.
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Die 1 zeigt schematisch den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer stoffschlüssigen Laserbondverbindung.
Insbesondere wird das Verfahren dabei mittels einer erfindungsgemäßen und in der Figur gezeigten Vorrichtung 1 ausgeführt.
Zunächst soll nun die Ausführungsform der Vorrichtung 1 gemäß 1 beschrieben werden.
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Die Vorrichtung 1 weist dabei ein erstes Aufnahmeelement 6 auf, welches zu einer Aufnahme eines Bondelements 2 ausgebildet ist.
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Das erste Aufnahmeelement 6 der Vorrichtung 1 umfasst dabei gemäß 1 zunächst ein Spulenelement 8, auf welchem das Bondelement 2 insbesondere als Endlosmaterial aufgewickelt sein kann.
Dabei kann das Bondelement 2 in der gezeigten Richtung 81 von dem Spulenelement 8 abgewickelt werden.
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Weiterhin umfasst das erste Aufnahmeelement 6 der Vorrichtung 1 beispielsweise zwei Umlenkelemente 9, welche dazu ausgebildet sind, ein von dem Spulenelement 8 abgewickeltes Bondelement 2 umzulenken, wobei gemäß 1 beispielsweise eine Umlenkung um jeweils ungefähr 90 Grad mittels einem der Umlenkelement 9 erfolgt.
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Des Weiteren weist die Vorrichtung 1 dabei ein zweites Aufnahmeelement 7 auf, welches zu einer Aufnahme eines Kontaktelements 4 ausgebildet ist.
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Weiterhin weist die Vorrichtung 1 eine Wärmeeinheit 10 auf, welche zu einer Erwärmung des Bondelements 2 ausgebildet ist.
Dabei ist die Wärmeeinheit 10 gemäß 1 beispielsweise als ein elektromagnetisches Induktionselement 101 ausgebildet und kann somit das Bondelement 2 mittels einer elektromagnetischer Induktion erwärmen. Weiterhin ist auch eine Ausbildung der Wärmeeinheit 10 als Laserelement möglich, wodurch Erwärmung des Bondelements 2 mittels eines Lasers möglich ist.
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Des Weiteren weist die Vorrichtung 1 eine Fügeeinheit 11 auf.
Dabei ist die Fügeeinheit 11 dazu ausgebildet, das Bondelement 2 unter Einwirkung eines Lasers gefügt mit dem Kontaktelement 4 zu verbinden.
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Ferner weist die Vorrichtung 1 auch eine Schneideinheit 12 auf.
Die Schneideinheit 12 ist dabei dazu ausgebildet, das Bondelement 2 an einer nicht mit dem Kontaktelement 4 verbundenen Stelle 41 zu durchtrennen.
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Weiterhin weist die Vorrichtung 1 auch eine Verformungseinheit 13 auf, welche zu einer Verformung des Bondelements 2 ausgebildet ist.
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Ferner kann die Vorrichtung 1 auch eine Fördereinheit 14 aufweisen, welche zu einer Förderung des Bondelements 2 relativ zu dem Kontaktelement 4 ausgebildet ist.
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An dieser Stelle sei hierzu noch angemerkt, dass die Wärmeeinheit 10, die Fügeeinheit 11, die Schneideinheit 12, die Verformungseinheit 13 und die Fördereinheit 14 jeweils auch als Bestandteil des ersten Aufnahmeelements 6 ausgebildet sein können und somit auch zumindest teilweiße das Bondelement 2 aufnehmen können.
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Weiterhin kann auch das zweite Aufnahmeelement 7, wie in der 1 gezeigt, mit dem ersten Aufnahmeelement 6 gemeinsam ausgebildet werden.
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Im Folgenden soll nun ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen Laserbondverbindung beschrieben sein.
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Dabei wird in einem ersten Verfahrensschritt zunächst ein Bondelement 2 bereitgestellt, welches aus einem ersten Material 3 ausgebildet wird.
Dabei kann das erste Material 3 des Bondelements 2 als metallischer Werkstoff, wie beispielsweise Aluminium, Kupfer oder Nickel, ausgewählt werden. Beispielsweise kann das Bondelement 2 auf dem Spulenelement 8 aufgewickelt bereitgestellt werden.
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Dabei wird weiterhin in einem zweiten Verfahrensschritt ein Kontaktelement 4 bereitgestellt, welches aus einem zweiten Material 5 ausgebildet wird.
Dabei kann das zweite Material 5 des Kontaktelements 4 als metallischer Werkstoff, wie beispielsweise Aluminium, Kupfer oder Nickel, ausgewählt werden.
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An dieser Stelle sei noch bemerkt, dass das in dem zweiten Verfahrensschritt bereitgestellte Kontaktelement 4 beispielsweise ein Spannungsabgriff 40 einer in der 1 nicht gezeigten Batteriezelle eines ebenfalls nicht gezeigten Batteriemoduls sein kann oder dass das in dem zweiten Verfahrensschritt bereitgestellte Kontaktelement 4 beispielsweise ein Überwachungssystem 400 eines nicht gezeigten Batteriemoduls sein kann.
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Anschließend wird das Bondelement 2 beispielsweise in der gezeigten Richtung 81 von dem Spulenelement 8 abgewickelt, beispielsweise mittels der Umlenkeinrichtungen 9 umgelenkt und in Richtung der Fügestelle gefördert.
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Dabei kann die Abwicklung der Bondelements 2 von dem Spulenelement 8 sowohl aktiv durch ein aktives Antreiben des Spulenelements 8 als auch passiv durch Bewegen der Fügestelle relativ zu dem Spulenelement 8 erfolgen, wobei dabei das Bondelement 2 von dem Spulenelement 8 abgewickelt wird.
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Somit wird das Bondelement 2 beispielsweise vor der Ausführung des dritten Verfahrensschritts verformt.
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Dabei weist das Bondelement 2 an einer ersten Stelle 201 einen ersten Wert einer Kaltverfestigung auf, an einer zweiten Stelle 202 einen zweiten Wert einer Kaltverfestigung, an einer dritten Stelle 203 einen dritten Wert einer Kaltverfestigung und an einer vierten Stelle 204 einen vierten Wert einer Kaltverfestigung.
Aufgrund der Verformungen des Bondelements 2 ist der dritte Wert der Kaltverfestigung größer als der erste Wert der Kaltverfestigung und als der zweite Wert der Kaltverfestigung.
Weiterhin ist der zweite Wert der Kaltverfestigung größer ist der erste Wert der Kaltverfestigung.
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Dabei wird in einem dritten Verfahrensschritt das Bondelement 2 erwärmt. Insbesondere wird das Bondelement 2 mittels der Wärmeeinheit 10 erwärmt. Dabei kann die Erwärmung des Bondelements 2 in dem dritten Verfahrensschritt mittels der Wärmeeinheit 10 beispielsweise durch elektromagnetische Induktion mittels des elektromagnetischen Induktionselements 101 ausgebildet werden. Dabei kann die Erwärmung des Bondelements 2 in dem dritten Verfahrensschritt mittels der Wärmeeinheit 10 beispielsweise auch durch Lasereinwirkung beispielsweise mittels einer in der 1 nicht zu erkennenden Laserelements ausgebildet werden.
Dadurch kann die Kaltverfestigung verringert werden, so dass der vierte Wert der Kaltverfestigung insbesondere einen kleineren Wert aufweist als der dritte Wert der Kaltverfestigung.
Vorteilhafterweise wird die Wärmeeinheit 10 möglichst nahe an der Fügestelle angeordnet, so dass das Bondelement 2 nach der Erwärmung mittels der Wärmeeinheit 10 möglichst keine weitere Kaltverfestigung erfährt und weiterhin in einem möglichst „weichen“ Zustand zur Fügestelle gefördert werden kann. Beispielsweise ist es dadurch auch vereinfacht möglich, das Bondelement 2 entsprechend zu formen und/oder zu schneiden. Des Weiteren kann dadurch auch die zu einer gefügt ausgebildeten Verbindung benötigte Energie weiter reduziert werden.
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Dabei werden in einem vierten Verfahrensschritt das Bondelement 2 und das Kontaktelement 4 unter Einwirkung eines Lasers gefügt miteinander verbunden. Insbesondere werden das Bondelement 2 und das Kontaktelement 4 mittels der Fügeeinheit 11 gefügt miteinander verbunden.
Hierzu sei noch angemerkt, dass das Bondelement 2 ein erstes Ende 21 und ein zweites Ende 22 aufweist, wobei das erste Ende 21 mit einem ersten Kontaktelement 41 verbunden wird und das zweite Ende mit einem zweiten Kontaktelement 42 verbunden wird.
Dabei kann das erste Ende 21 beispielsweise mit dem Spannungsabgriff 40 einer Batteriezelle gefügt verbunden werden und das zweite Ende 22 beispielsweise mit dem Spannungsabgriff 40 einer weiteren Batteriezelle gefügt verbunden werden.
Dabei kann das erste Ende 21 beispielsweise mit dem Spannungsabgriff 40 einer Batteriezelle verbunden werden und das zweite Ende 22 beispielsweise mit dem Überwachungssystem des Batteriemoduls verbunden werden.
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Nach der Herstellung der Verbindung des Bondelements 2 mit dem Kontaktelement 4 wird in einem fünften Verfahrensschritt gemäß dem in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel des Verfahrens das Bondelement 2 an einer nicht in dem Kontaktelement 4 verbundenen Stelle 41 durchtrennt.
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Weiterhin sei noch bemerkt, dass das Bondelement 2 zwischen dem ersten Ende 21 und dem zweiten Ende 22 in beliebiger Weise geformt werden kann, wodurch eine flexible Ausbildung möglich ist.
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Insbesondere wird das Bondelement 2 relativ zu der jeweiligen Fügestelle bewegt.
Weiterhin wird insbesondere das erste Aufnahmeelement 6 relativ zu dem zweiten Aufnahmeelement 7 bewegt, wodurch beispielsweise ein Batteriemodul ortsfest angeordnet sein kann.
Ferner wird insbesondere das erste Aufnahmeelement 6 relativ zu dem Spulenelement 8 bewegt, wodurch das Bondelement 2 von dem Spulenelement 8 aktiv oder passiv abgewickelt wird.
