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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abisolieren von mit Kunststoff isolierten Leitern mittels einer auf einen abzuisolierenden Bereich gerichteten Lichtquelle.
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Um den Wirkungsgrad einer Elektromaschine zu erhöhen, wird ein möglichst hoher Füllgrad des Blechpakets mit Kupferdraht angestrebt. Aus diesem Grund werden aktuell Drähte mit rechteckigem Querschnitt verwendet. Da dieser Draht nicht mehr einfach gewickelt werden kann, wie z.B. ein Runddraht, wird dieser Draht in Form von Spangen (sog. Hairpins) durch das Blechpaket geschoben. Anschließend werden die Einzeldrahtspangen dann mit einem geeigneten Schweißverfahren untereinander verbunden
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Damit es nicht zu Kurzschlüssen zwischen den Leitern und auch zum Blechpaket kommt, wird der Hairpindraht bereits im Produktionsprozess mit einer Isolierschicht überzogen. Dies kann ein Lack, aber auch ein hochtemperaturstabiler Kunststoff (z.B. Polyetheretherketon (PEEK)) sein.
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Nachdem der Hairpin auf Länge geschnitten und in Form gebogen wurde, muss er noch im Bereich der späteren Schweißnaht abisoliert werden. Dabei ist besonders bei PEEK-Isolierungen zu beachten, dass der verbleibende Rest der Isolierung möglichst keine thermische Belastung erfährt, da dieser Bereich sonst beschädigt werden kann. In der Folge kann die Isolierwirkung beeinträchtigt werden.
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Die
DE 1 943 374 beschreibt eine Anordnung zum vollständigen und teilweisen Abisolieren von beliebigen Stellen von Kabeln mit einem elektrischen Leiter, wobei ein Laser eingesetzt wird, durch den die gewünschte Menge des Isoliermaterials entfernt wird.
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Die
DE 44 26 718 A1 betrifft eine isolierte Leitung mit einem Leiter, der mit einem Isoliermaterial beschichtet ist, wobei zwischen Leiter und Isoliermaterial eine lichtabsorbierende Schicht vorgesehen ist, wodurch die Isolierbeschichtung mittels eines Lasers entfernt werden kann.
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Aus der
DE 10 2015 119 324 A1 ist die Abisolierung von Kabeln mit einer Laserquelle bekannt, wobei ein Laserstrahl zur punktgenauen Verdampfung von Teilen der Kabelisolierung erzeugt wird.
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Die
EP 0 355 096 B1 beschreibt das Entfernen von Isolierschichten von Drähten, wobei die Beschichtung durch einen Laserstrahl über den Verdampfungspunkt erhitzt wird.
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Die
EP 1 228 834 A1 betrifft eine Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung von beschichteten Elementen, insbesondere von Kabeln, deren Beschichtung mittels wenigstens zwei Laserdioden abgetragen oder aufgetrennt werden.
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In der Praxis erfolgt das Abisolieren der Drahtenden häufig mit einem gepulsten Laserprozess. Dabei wird der Kunststoff nur lokal abgebrannt.
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Beim Abbrennen der Isolierung kommt es zur Wärmeentwicklung, die einmal durch den Draht, z.B. ein Cu-Draht, selber abgeleitet wird und dann die nebenliegenden Bereiche der Isolation schädigt. Aber auch der direkte Wärmeeinfluss des Laserstrahls auf den Kunststoff schädigt einen gewissen Bereich neben der Schnittkante.
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Ohne thermischen Einfluss kann die Isolierung durch mechanisches Abschaben entfernt werden. Dabei wird der Kunststoff mit zwei Klingen vom Draht abgeschabt. Beim Abschaben muss mit dem Messer ein Stück weit bis in den Draht hinein geschabt werden, was in jedem Fall den Drahtquerschnitt minimal schwächt. Würde dies nicht gemacht werden, könnte es passieren, dass bei ungünstiger Fertigungstoleranz des Drahtes Reste der Isolierung an der Schweißstelle verbleiben. Eine mehr oder weniger ausgeprägte Schwächung des leitenden Querschnitts ist somit beim Abschaben von Isolationsmaterial (Kunststoff) nicht zu vermeiden. Hier kann es auch vorkommen, dass die Isolierung, die später zum Schutz von Stator- oder Rotorköpfen aufgebracht wird, beeinträchtigt wird.
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Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe ist es, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu vermeiden, insbesondere ein Verfahren zum Abisolieren von mit Kunststoff isolierten Leitern bereitzustellen, bei dem eine Schwächung des leitenden Querschnittes vermieden und die nebenliegende restliche Isolierung nicht beeinträchtigt wird.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren zum Abisolieren von Kunststoff-isolieren Leitern mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Abisolieren von mit Kunststoff isolierten Leitern mittels einer auf einen abzuisolierenden Bereich gerichteten Lichtquelle (auch als Bestrahlung bezeichnet) bereitgestellt, das sich dadurch auszeichnet, dass der Kunststoff ein Polymer umfasst oder daraus besteht und die Lichtquelle Licht mit einer Wellenlänge emittiert, die der Bindungsenergie zumindest einer im Polymer vorkommenden Bindung entspricht.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, die Abisolierung durch gezielte Zersetzung des Kunststoffes zu erreichen, ohne dass die angrenzende Isolierung beeinflusst wird.
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Als Leiter können alle Materialien eingesetzt werden, die elektrisch leitend sind, beispielsweise Metalle, wie Kupfer.
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Jeder Kunststoff weist eine Vielzahl von mehr oder weniger leicht verbundenen Polymeren auf. Diese Polymere wiederum sind aus einer Vielzahl verbundener Monomere, den Grundmolekülen des jeweiligen Kunststoffs, aufgebaut. Das Monomer ist dabei aus Atomen aufgebaut, die untereinander durch chemische Bindungen verbunden sind.
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Jede der Bindungen besitzt eine exakt definierte Bindungsenergie. Für die im Monomer enthaltene C-C-Bindung beträgt die Energie 348kJ/mol bzw. 3,6eV. Wird diese Energie überschritten zerfällt das Monomer.
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Licht besitzt abhängig von der jeweiligen Wellenlänge eine bestimmte Energie, die sich nach der Formel W=h·f berechnen lässt. Dabei sind W die Energie des Lichts, h das Plank'sche Wirkungsquantum (6,626·10-34 Js) und f die jeweilige Frequenz des Lichts.
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Hieraus ergibt sich für die Zerstörung einer C-C-Bindung in Kunststoffen eine benötigte Wellenlänge von 315-380nm (UV-A-Strahlung), was der eines Excimer-Lasers (z.B. XeCI- oder XeF-Laser) oder eines frequenzverdreifachten NdYAG-Lasers entspricht.
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Im erfindungsgemäßen Verfahren wird mit einer Lichtquelle bestrahlt, die Licht mit einer Wellenlänge emittiert, die der Bindungsenergie zumindest einer im Polymer vorkommenden Bindung entspricht. Dies kann z.B. dadurch erreicht werden, dass das Licht keine Wellenlänge aufweist, die eine geringere und/oder höhere Energie als die für die Spaltung der Bindung benötigte Bindungsenergie bereitstellt.
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Im Gegensatz zum reinen Verbrennen des Kunststoffs bei z.B. 335°C wird durch die Bestrahlung mit Licht in einem bestimmten Wellenlängenbereich ganz gezielt der Kunststoff zersetzt. Dieser Prozess erfolgt mit minimalem Wärmeeintrag und damit mit minimalem Wärmeeinfluss auf die umliegende Isolierung, die möglichst intakt bleiben soll.
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In der technischen Umsetzung ist es möglich, den Kunststoff zum Beispiel durch einen KrF-Laser oder eine andere Licht- bzw. Strahlquelle im passenden Spektralbereich zu bestrahlen, um die Bindungen zu zerstören und damit den Kunststoff zu entfernen, z.B. zu sublimieren.
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Das Abisolieren kann mit UV-Lasern erfolgen. Laseraktives Medium (LAM) ist ein Edelgas. Die elektrische Anregung sorgt für eine Besetzungsinversion, Die Laserstrahlung ist abhängig vom LAM und kann im UV-Bereich (158 nm bis 315 nm) liegen. Die Bindungsenergie der Makromoleküle von Kunststoffen liegt im Energiebereich der UV-Strahlung (vgl. nachfolgende Tabelle).
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Im erfindungsgemäßen Verfahren können beispielsweise Excimerlaser eingesetzt werden. Vorteilhaft ist, dass Excimerlaser im UV-Bereich emittieren und somit die Bindungen der Polymeren der Kunststoffe direkt angreifen. Dadurch werden die Verbindungen athermisch aufgelöst. Excimerlaser arbeiten bauartbedingt als Kurzpulslaser, so dass der thermische Einfluss auf andere Stoffe, insbesondere Leiter, wie Cu, minimiert ist. Ferner wird eine thermische Schädigung des Abtragrandes verhindert.
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Alternativ können auch mit anderen Wellenlängen und damit ggf. auch anderen Strahlungsquellen, andere Bindungen gezielt aufgelöst werden, wie es in Tabelle 1 zusammengefasst ist.
| Tabelle 1: Bindungsenergien vs. Wellenlängen |
| Bindung | Bindungsenergie | Wellenlänge | Lasertyp |
| C-C | 348 kJ/mol = 3,6 eV | 315-380nm | XeCl oder XeF |
| C=C | 614 kJ/mol = 6,361 eV | 100-200nm | F oder ArF |
| C=C (Dreifach bindung) | 839 kJ/mol = 8,692 eV | 100-200nm |
| C-H | 413 kJ/mol = 4,278 eV | 280-315nm | KrF oder XeCl |
| C-O | 3,5 eV | 315-380 nm | XeCl oder XeF |
| C-Cl | 3,39 eV | 315-380 nm |
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Die Dauer der Bestrahlung bzw. die Anzahle der Pulse im erfindungsgemäßen Verfahren kann dabei insbesondere so gewählt werden, dass der zu entfernende Kunststoff zumindest fast nahezu vollständig entfernt wird.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Lichtquelle eine Laserlichtquelle, beispielsweise ein XeF-Laser. Abhängig von der jeweiligen Bindung können auch die in Tabelle 1 angegebenen Strahlquellen verwendet werden.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Bindung ausgewählt unter C-C-Bindung, C=C-Bindung, C=C-Bindung und C-H-Bindung. Diese Bindungstypen kommen in vielen Polymeren vor. Somit wird es möglich, auf diese Weise eine Vielzahl von Polymeren durch das erfindungsgemäße Verfahren zu entfernen.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt die emittierte Wellenlänge 100 nm bis 200 nm oder 280 nm bis 315 nm oder 315 nm bis 380 nm. Wie bereits vorstehend ausgeführt wurde, können diese Bereiche so verstanden werden, dass Licht nur mit diesen Wellenlängen eingesetzt wird, so dass das Licht keine Wellenlängen aufweist, die höher und/oder niedriger als der angegebene Bereich ist. Diese Wellenlängen korrespondieren mit den vorstehenden Bindungen, so dass mit diesen Wellenlängen die vorstehend angegebenen Bindungen in besonders günstiger Weise zerstört werden können.
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In einer Ausführungsform ist der mit Kunststoff isolierte Leiter ein Hairpin. Derartige Hairpins kommen insbesondere in Elektromotoren zum Einsatz.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Polymer ein hochtemperaturstabiles thermoplastisches Polymer, beispielsweise ein Polyaryletherketon, wie Polyetheretherketon (PEEK). Das Verfahren ist grundsätzlich auf alle Kunststoffe anwendbar, die aus Molekülgruppen der oben angegebenen Bindungen (vgl. Tabelle 1) aufgebaut sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigt:
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren und der Beispiele näher erläutert, wobei ausdrücklich darauf hingewiesen wird, dass die Figuren und Beispiele nicht so zu verstehen sind, dass die Erfindung darauf beschränkt ist.
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- 1 zeigt eine schematische Darstellung des Isolierungsaufbaus.
- 2,2a,2b zeigen die Ergebnisse der Abisolierung gemäß Beispiel 1.
- 3 zeigt die Ergebnisse der Abisolierung gemäß Beispiel 2.
- 4a,4b zeigen die Ergebnisse der Abisolierung gemäß Beispiel 3.
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Beispiel 1
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Alle Versuche der Beispiele 1, 2 und 3 wurden mit einem Hairpindraht, wie er nach dem Stand der Technik in der Serienfertigung verwendet wird, durchgeführt. Der Aufbau ist in 1 schematisch dargestellt.
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Der Kern des Hairpindrahtes war ein Cu-Draht 1. Auf diesen Cu-Draht war eine Schicht aus PAI-Lack 2 aufgebracht, die mit einer Isolierschicht aus PEEK 3 in einer Stärke von 0,1 mm überzogen war.
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Die Versuche der Beispiele 1, 2 und 3 wurden mit einem Excimer-Laser (der Firma Lambda Physics, Typ LPX315) mit offenem Strahlengang durchgeführt. Vor den ersten Versuchen wurde die Leistungsverteilung im Strahl überprüft. Die Charakteristiken dieses Lasers sind wie folgt: Wellenlänge: 248 nm; Bearbeitungsoptik: offene Linsenoptik; maximale Leistung bei 20 ns Strahldauer: 100 W; maximale Energie: 750 mJ/Puls; Brennweite: 500 mm.
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Die Versuche des Beispiels 1 wurden im Fokus durchgeführt; die Parameter sind in der folgenden Tabelle angegeben:
| Energie [mJ] | Pulse [Stk.] | Pulsfrequenz [Hz] |
| 65 | 1 | 100 |
| 10 |
| 100 |
| 200 |
| 300 |
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Nach wenigen Pulsen ist kaum ein Abtrag des PEEK-Kunststoffes zu erkennen. Wie den 2, 2a entnommen werden kann, ist nach 200 Pulsen der Cu-Draht bereits zu erkennen, aber er ist noch von PAI-Lack bedeckt. Aus den 2, 2b ist zu ersehen, dass bei 300 Pulsen, 65 mJ Energie und einer Pulsfrequenz von 100 Hz der Kunststoff bis auf den Kupferwerkstoff abgetragen ist.
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Beispiel 2: Hairpin 2/3
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Bei diesem Beispiel wurde der Laser defokussiert. Dadurch wird die bestrahlte Fläche vergrößert und somit die Abtragsrate erhöht.
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In
3 sind die Aufnahmen der Hairpins 2 und 3 mit maximaler Bearbeitungsfläche angegeben. Bereits mit 500 mJ und 300 Pulsen erfolgt ein Abtrag bis zur Lackschicht. Ab 720 mJ und 500 Pulsen wird auch der PAI-Lack beeinflusst. Bei 720 mJ und 600 Pulsen ist zu befürchten, dass der Lack hauptsächlich thermisch angegriffen wird. Eine Verkleinerung der Fläche zur Leistungsdichteerhöhung ist erforderlich. Die Parameter für Hairpin 2 und 3 sind in der nachfolgenden Tabelle angegeben:
| Energie [mJ] | Pulse | Pulsfrequenz [Hz] | Fokusfläche [mm2] |
| 500 | 300 | 100 | 59,8 (=11,5x5,2) |
| 600 | 300 | 100 |
| 720 | 400 | 100 |
| 720 | 500 | 100 |
| 720 | 600 | 100 |
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Beispiel 3: Hairpin 4/5
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In diesem Beispiel wurde der Laser wieder fokussiert, wodurch die bestrahlte Fläche verkleinert wird. Die Parameter sind in der nachfolgenden Tabelle angegeben.
| Energie [mJ] | Pulse | Frequenz [Hz] | Fokusfläche [mm2] |
| 500 | 300 | 100 | 25,5 (=8,5x3) |
| 700 | 300 |
| 700 | 400 |
| 700 | 400 | 50 | 19,5 (=6,5x3) |
| 500 | 400 |
| 500 | 300 |
| 700 | 400 |
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Die Ergebnisse sind in den 4a und 4b dargestellt. Dabei zeigt 4a die Aufnahme der Pins 4 und 5 mit maximaler Bearbeitungsfläche. In 4b ist die Aufnahme des Versuchs #16 dargestellt. Es ist ein kompletter flächiger Abtrag der Isolierung bis zum Cu-Draht zu beobachten.
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Bei 25,5 mm2 erfolgt ein teilweiser Abtrag bis zum Kupfer. Bei einer bestrahlten Fläche von 90,5 mm2 erfolgt hingegen ein vollständiger Abtrag bis zum Kupfer. 1)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 1943374 [0005]
- DE 4426718 A1 [0006]
- DE 102015119324 A1 [0007]
- EP 0355096 B1 [0008]
- EP 1228834 A1 [0009]
