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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (z. B. für eine (Li-Ionen-)Batteriezelle), umfassend zumindest mindestens einen Zellstapel zur Speicherung elektrischer Energie und mindestens ein Kontaktelement zur elektrischen Kontaktierung des mindestens einen Zellstapels, zur Speicherung elektrischer Energie, ein entsprechendes Bauteil sowie eine Vorrichtung zur Herstellung eines entsprechenden Bauteils. Die Erfindung kommt insbesondere bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien für beispielsweise elektrifizierte Fahrzeuge zum Einsatz.
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Aus der
DE 10 2012 213 110 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Lithium-Ionen-Zellmodulen mit prozessintegrierter Rahmenfertigung bekannt. Dabei werden mit einem Zellstapel bereits verbundenen Anschlussfahnen einer Polarität zur Ausbildung eines Kontaktbereichs umgebördelt und anschließend verschweißt. Von zusätzlichen Kontaktmitteln wird dort abgeraten.
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Aus der
DE 10 2016 225 175 A1 ist eine Umhüllung für ein Batteriemodul bekannt. Dabei werden Elektroden zueinander benachbarter Zellstapel miteinander verschweißt, um die benachbarten Zellstapel miteinander zu einem Modul zu verbinden.
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Aus der
EP 2 518 812 A2 ist ein Verfahren zum Bilden einer verkapselten festen elektrochemischen Komponente bekannt. Dabei werden auf einer Vakuum-Platte angeordnete Schichten mittels eines Laser entlang eines Umfangs miteinander verschweißt und zugeschnitten.
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Aus der
DE 40 05 674 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einkapseln eines mittels des isostatischen Heiß- oder Warmpressens zu bearbeitenden Materials, wie etwa Sintergut bekannt.
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Weiterhin sind spezielle Vorrichtungen bekannt, in den ein Verschweißen unter Vakuum bzw. Unterdruck möglich ist. Durch das Vakuum in diesen Vorrichtungen konnten Schweißspritzer und Schweißnaht-Imperfektionen vorteilhaft minimiert werden. Diese Vorrichtungen werden jedoch bislang üblicherweise nur für Stahl-Schweißungen verwendet. Ein Nachteil der bekannten Unterdruck/Vakuum-Stahl-Schweißvorrichtungen ist zum einen, dass mit diesen häufig nur rotatorische Schweißnähte aufgebracht werden können. Ein weiterer Nachteil ist, dass mit den bekannten Vorrichtungen in der Regel unterschiedlich dimensionierte Bauteile schweißbar sein müssen, sodass das zu evakuierende Volumen für viele der Bauteile überdimensioniert ist, wodurch sich die Evakuierungszeit für kleine Bauteile unnötig verlängert.
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Hiervon ausgehend ist es eine Aufgabe der Erfindung, die im Zusammenhang mit dem Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere sollen ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, ein Bauteil sowie eine Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils angegeben werden, die insbesondere zumindest zu einer Zeitersparnis und/oder Kostenersparnis bei der Herstellung von (Lithium-Ionen-)Batterien beitragen können.
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Diese Aufgaben werden gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der hier vorgeschlagenen Lösung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den abhängigen Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
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Hierzu trägt ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, umfassend zumindest mindestens einen Zellstapel zur Speicherung elektrischer Energie und mindestens ein Kontaktelement zur elektrischen Kontaktierung des mindestens einen Zellstapels, zur Speicherung elektrischer Energie bei, umfassend zumindest folgende Schritte:
- a) Anordnen zumindest eines Teils des mindestens einen Zellstapels und des mindestens einen Kontaktelements in einer definierten Relativanordnung zueinander in oder an einer evakuierbaren Kammer;
- b) Evakuieren zumindest eines Teils des in der Kammer befindlichen Gases;
- c) Verbinden des mindestens einen Zellstapels und des mindestens einen Kontaktelements miteinander zur Ausbildung einer elektrisch leitenden Verbindung mittels mindestens eines Laserstrahls, der in die Kammer eingebracht wird.
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Die Schritte a), b) und c) können zumindest einmal in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Darüber hinaus können zumindest die Schritte a) und b) bzw. b) und c) auch zumindest teilweise parallel ablaufen. Das Verfahren kann beispielsweise mittels einer hier beschriebenen Vorrichtung durchgeführt werden. Das Verfahren wird insbesondere zum Verbinden eines Zellstapels mit mindestens einem Kontaktelement (z.B. sogenannter „Ableiter“) im Vakuum mittels Laser eingesetzt. Das Anschweißen der sogenannten Ableiter an einen Zellstapel (füe eine Li-Ionen-Zelle) im Unterdruck oder Vakuum mittels eines Lasers stellt einen besonders vorteilhaften Aspekt des Verfahrens dar. Durch die Kombination des Laserschweißens mit den Unterdruck- oder Vakuumbedingungen können insbesondere die Vorteile erreicht werden, dass bei gleicher Laserleistung unter Unterdruck bzw. Vakuum die Einschweiß-/ „Durchschweiß“-Tiefe (mit zunehmendem Unterdruck) gesteigert werden kann und/oder bei gleicher Einschweiß-/„Durchschweiß“-Tiefe unter Unterdruck bzw. Vakuum (mit zunehmendem Unterdruck) weniger Laserleistung eingesetzt werden kann. Somit kann das Verfahren in vorteilhafter Weise zumindest zu einer Zeitersparnis und/oder Kostenersparnis und/oder zur Verschweißung von größeren Bauteildicken bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien beitragen.
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Das Bauteil ist zur Speicherung elektrischer Energie geeignet. Bei dem Bauteil kann es sich beispielsweise um ein Bauteil für eine (wiederaufladbare) Lithium-Ionen-Batterie handeln. In diesem Zusammenhang kann das Bauteil zum Beispiel einen Bestandteil für eine (Lithium-lonen-)Zelle bilden. Das Bauteil umfasst zumindest mindestens einen Zellstapel zur Speicherung elektrischer Energie und mindestens ein Kontaktelement zur elektrischen Kontaktierung des mindestens einen Zellstapels. In der Regel können nach dem hier beschriebenen Verbinden von Zellstapel und Kontaktelement mehrere so hergestellte Bauteile zu einer Zelle verbunden werden. Das Bauteil kann einen einzelnen Zellstapel umfassen. Weiterhin kann das Bauteil (genau) zwei Kontaktelemente umfassen. Das Verfahren dient in der Regel dazu, das mindestens eine bzw. zwei Kontaktelemente mit dem (jeweils einem einzelnen) Zellstapel elektrisch leitend zu verbinden, sodass über die Kontaktelement der mindestens eine Zellstapel mit einem Stromkreis verbindbar ist. Die Kontaktelemente können beispielswiese elektrische Anschlüsse des Bauteils bzw. elektrische Verbindungselemente des Bauteils zur Verbindung des Bauteils mit bauteilexternen Komponenten oder weiteren Bauteilen bilden. Das Kontaktelement kann (unmittelbar) mit einem (Elektroden-)Fähnchen des Zellstapels verbunden werden. In der Regel sind mindestens zwei Kontaktelemente vorgesehen, die mit (verschiedenpoligen Elektroden-)Fähnchen des Zellstapels (unmittelbar) verbunden werden.
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In Schritt a) erfolgt ein Anordnen zumindest eines Teils des mindestens einen Zellstapels und des mindestens einen Kontaktelements in einer definierten Relativanordnung zueinander in oder an einer evakuierbaren Kammer. Insbesondere kann (hierzu) in Schritt a) ein Bereitstellen des mindestens einn Zellstapels und des mindestens einen Kontaktelements in einer definierten Relativanordnung zueinander in einer evakuierbaren Kammer erfolgen. Unter einer Anordnung bzw. Bereitstellung in der evakuierbaren Kammer ist insbesondere zu verstehen, dass der mindestens eine Zellstapel und das mindestens eine Kontaktelement (vollständig) innerhalb eines Raumes angeordnet werden, der von den (im Regelfall sechs Seiten begrenzenden) Kammerinnenwänden begrenzt wird. Eine Anordnung an der evakuierbaren Kammer kann beispielsweise derart ausgeführt werden, dass die Kammer zum Beispiel in der Art einer Glocke (gezielt) über dem Bereich angeordnet wird, in dem die Verbindung zwischen Zellstapel und Kontaktelement gebildet werden soll. In diesem Zusammenhang können zumindest ein Teil des mindestens einen Zellstapels und des mindestens einen Kontaktelements eine der Kammerwände bilden. Bei der Kammer handelt es sich in der Regel um eine Unterdruck-/Vakuum-Kammer. Die Kammer kann in einen unteren Abschnitt und einen Deckel untergliedert sein. Der Deckel kann zur Einbringung von Zellstapel(n) und Kontaktelement(en) abgenommen werden. Der Deckel wird in der Regel vor dem Einbringen des Laserstrahl wieder mit dem unteren Abschnitt (gasdicht) verbunden. Eine entsprechende gasdichte Verbindung kann lokal, zum Beispiel an ein oder zwei Stellen entlang des Kammerumfangs, von Unterdruckanschlüssen unterbrochen sein, über welche das Gas (bei geschlossenem Deckel) aus der Kammer evakuiert werden kann.
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Die definierte Relativanordnung kann beispielsweise derart sein, dass ein Kontaktelement mit mindestens einem (Elektroden-)Fähnchen des mindestens einen Zellstapels überlappt. Im inneren der Kammer kann die Anordnung der zu verschweißenden Bauteil beispielsweise derart sein, dass ein Kontaktelement mit mindestens einem Fähnchen bzw. den (gleichpoligen) Fähnchen mindestens eines Zellstapels überlappt. Insbesondere kann die definierte Relativanordnung so erfolgen, dass ein Kontaktelement unterhalb oder oberhalb eines Fähnchens bzw. mehrerer (gleichpoliger) Fähnchen eines Zellstapels positioniert ist. In dem entsprechenden Überlappungsbereich kann die (Laserschweiß-)Verbindung erfolgen. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass in dem Überlappungsbereich eine Schweißnaht ausgebildet werden kann. Bei dem „Fähnchen“ handelt es sich üblicherweise um einen Teil des Zellstapels, der zu Anschlusszwecken an einer Seite des Zellstapels hervorsteht. Die Schweißnaht kann als I-Naht oder als Kehlnaht ausgebildet werden. Weiterhin können die „Fähnchen“ und der Ableiter im Stumpfstoß angeordnet werden. Die Kontaktelemente werden vom Fachmann üblicherweise auch als sogenannte „Ableiter“ bezeichnet. Es wird insbesondere mindestens eine Laser-Schweißnaht gebildet, die einen Ableiter mit mindestens einem (Elektroden-)Fähnchen bzw. mehreren (gleichpoligen) Fähnchen eines Zellstapels (unmittelbar) stoffschlüssig verbindet.
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In Schritt b) erfolgt ein Evakuieren zumindest eines Teils des in der Kammer befindlichen Gases. Die Kammer kann so weit evakuiert werden, bis ein vordefinierter (Unter-)Druck oder Vakuum in der Kammer vorliegt. Die Kammer kann über ihr gesamtes Innenvolumen gleichmäßig evakuiert werden. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Evakuierung gezielt in dem Bereich oder den Bereichen der Kammer erfolgt, in dem bzw. denen die Verbindung zwischen dem mindestens einen Zellstapel und dem mindestens einen Kontaktelement erfolgen soll. Zum Evakuieren kann beispielsweise Gas aus der Kammer abgepumpt werden. Hierzu können in grundsätzlich bekannter Weise Vakuum-Pumpen zum Einsatz kommen.
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In Schritt c) erfolgt ein Verbinden des mindestens einen Zellstapels und des mindestens einen Kontaktelements miteinander zur Ausbildung einer elektrisch leitenden Verbindung mittels mindestens eines Laserstrahls, der in die Kammer eingebracht wird. Dies betrifft insbesondere eine innere Verschweißung zwischen mindestens einem (Elektroden-)Fähnchen des Zellstapels und mindestens einem Ableiter. Dies lässt sich zum Beispiel unterscheiden von einer äußeren Zellenschweißung, die in der Regel die Kontaktierung der fertigen Zellen miteinander in einem Modul betrifft und bei der üblicherweise die Zellableiter, die aus der jeweiligen Zelle herausragen mit anderen Zellableitern über eine Stromsammlerschiene bzw. eine BUS-Verbindung miteinander verbunden werden. Insbesondere wird in Schritt c) mindestens eine Laserschweißverbindung zwischen mindestens einem Kontaktelement und mindestens einem Zellstapel gebildet. Beispielsweise kann eine dabei gebildete Schweißnaht geradlinig und/oder in einer Ebene verlaufen. Zum Beispiel kann jeweils eine Schweißnaht genutzt werden, um ein Kontaktelement mit einem bzw. den (gleichpoligen) Fähnchen eines Zellstapels zu verbinden. In diesem Zusammenhang kann die Anzahl der Schweißnähte mit der Anzahl der Kontaktelemente übereinstimmen.
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Das Verbinden wird insbesondere mittels einer Laser-Einrichtung durchgeführt, die zum Schweißen von Aluminium-Aluminium- und/oder Kupfer-Kupfer-Verbindungen geeignet ist. Beispielsweise kann die Laser-Einrichtung dazu vorgesehen und eingerichtet sein ein (überwiegend) Aluminium enthaltendes Material (z. B. eines Kontaktelements) mit einem (überwiegend) Aluminium enthaltenden Material (z.B. eines Fähnchens) und/oder ein (überwiegend) Kupfer enthaltendes Material (z. B. eines Kontaktelements) mit einem (überwiegend) Kupfer enthaltenden Material (z. B. eines Fähnchens) zu verbinden. Beispielsweise können auf Anoden-Seite Anoden-Fähnchen, die überwiegend Kupfer enthalten, mit einem Anoden-Ableiter, die überweigedne Kupfer enthalten, verbunden werden. Weiterhin beispielhaft können auf Kathodenseite Kathoden-Fähnchen, die überwiegend Aluminium enthalten, mit einem Kathoden-Ableiter, der überwiegend Aluminium enthält, verbunden werden. Entsprechende Materialkombinationen können insbesondere in Lithium-Ionen-Batterien vorliegen. Ein Vorteil des Unterdrucks bzw. Vakuums kann bei dem hier beschriebenen Verfahren insbesondere auch darin bestehen, dass man mit einem oder mehreren Lasern für einen bestimmten Wellenlängenbereich (der ggf. nicht für beide Materialien - Aluminium und Kupfer - ideal ist) vorteilhafte Schweißungen in beiden Materialien durchführen kann.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass es sich bei dem mindestens einen Zellstapel um einen Zellstapel für eine Lithium-Ionen-Zelle handelt. Entsprechende Zellen können eine vorteilhafte Anwendung im Bereich der elektrifizierten Fahrzeuge finden.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die Kammer bauteildimensionsspezifisch gebildet ist. Dies kann mit anderen Worten insbesondere auch so beschrieben werden, dass die Kammer (beispielsweise deren Innenvolumen und/oder deren Innenkontur) an die Dimensionen einer bestimmten Art bzw. eines bestimmten Typs von Bauteil (beispielsweise charakterisier durch zumindest dessen Volumen und/oder dessen Außenkontur) angepasst ist. Insbesondere kann die Kammer nur für eine bestimmte Art bzw. einen bestimmten Typ von Bauteil, wie etwa einen Zellstapel (mit möglichem Warenträger) bestimmter Größe verwendet werden. Beispielsweise kann das Innenvolumen der Kammer (im beladenen Zustand) zumindest zu 60%, bevorzugt zumindest zu 70% und besonders bevorzugt zumindest zu 80% mit dem Bauteil gefüllt sein. Dies führt in vorteilhafter Weise dazu, dass die nicht nutzbaren „Toträume“ der Kammer möglichst klein sind. Vorteile die hieraus resultieren sind unter anderem, dass die Abdichtung der Fügepartner (zum Beispiel: Kammerbasis und Deckel) und/oder zu den Unterdruckbildenden Bauteilen vereinfacht und/oder die Evakuierungs- bzw. Entlüftungszeiten bis ein notwendiger Unterdruck hergestellt ist deutlich reduziert und/oder der Reinigungsaufwand infolge des Absetzens von Schweißrauchen, -stäuben, -spritzer erleichtert werden können. Die möglichst kleinen Toträume führen in vorteilhafter Weise dazu, dass die Kammer auch in für moderne Herstellungsprozesse ausreichend kurzer Dauer so weit (bzw. auf einen so niedrigen Unterdruck) evakuiert werden kann, dass mit vergleichsweise geringer Laserleistung ausreichende Einschweißtiefen erzeugt werden können.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass es sich bei dem mindestens einen Laserstrahl um einen Infrarot-Laserstrahl handelt. Vorteile entsprechender IR-Laser sind insbesondere, dass deutlich günstiger sind als die derzeit verfügbaren Lasersysteme im grünen oder blauen Wellenlängen-Bereich und dass die Effizienz und/oder die verfügbaren Leistungen der IR-Laserquellen besser sind. Insbesondere beim Schweißen von Aluminium und Kupfer enthaltenden Materialien mittels eines IR-Lasers ohne Reduzierung des Drucks im Bereich der Schweißstelle konnten nachteilig viele Spritzer und Ungänzen in der Schweißnaht beobachtet werden. Durch das hier möglichst einfache erreichbare Vakuum bzw. den möglichst einfach erreichbaren niedrigen Unterdruck konnten die Schweißspritzer und Schweißnaht-Imperfektionen vorteilhaft minimiert werden.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass der mindestens eine Laserstrahl durch mindestens ein Laserstrahleintrittsglas in die Kammer eintritt. Beispielsweise entspricht die Anzahl der Laserstrahleintrittsgläser der Anzahl der zu erzeugenden Schweißnähte und/oder der Anzahl der vorhandenen Laser-Einrichtungen. Das mindestens eine Laserstrahleintrittsglas kann in eine (obere) Kammerwand und/oder einen Deckel der Kammer eingelassen sein. Das mindestens eine Laserstrahleintrittsglas trägt in vorteilhafter Weise auch zur Reduzierung der Toträume bei, da somit die Laserquelle außerhalb der Kammer angeordnet sein kann.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass mindestens zwei Kontaktelemente mittels zeitlich zumindest teilweise parallel oder gleichzeitig wirkenden Laserstrahlen mit einem Zellstapel verbunden werden. In diesem Zusammenhang können beispielsweise mindestens zwei Laser-Einrichtungen und ggf. zwei Laserstrahleintrittsgläser vorgesehen sein. Dies kann dazu beitragen, dass zumindest teilweise parallel oder gleichzeitig mindestens zwei Schweißnähte des Bauteils erzeugt werden können, was in vorteilhafter Weise zur Reduzierung der Herstellungszeit beitragen kann.
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Nach einer weiteren (alternativen) vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass mindestens zwei Kontaktelemente mittels zeitlich nacheinander wirkenden Laserstrahlen mit einem Zellstapel verbunden werden. In diesem Zusammenhang kann beispielsweise nur eine (einzige) Laser-Einrichtung zum Verbindung des Zellstapels mit den Kontaktelementen ausreichen. Die Laser-Einrichtung kann beispielsweise relativ zur Kammer und/oder die Kammer relativ zur Laser-Einrichtung bewegbar sein bzw. bewegt werden. Zum Beispiel kann eine Dreh-Einrichtung die Kammer relativ zur Laser-Einrichtung drehen. Die Dreh-Einrichtung kann die Kammer und die Laser-Einrichtung relativ zueinander verdrehen, sodass die Laser-Einrichtung in einer Endposition der Drehbewegung über einem der Laserstrahleintrittsgläser und in einer weiteren Endposition der Drehbewegung über einem weiteren der Laserstrahleintrittsgläser positioniert wird. Dies kann dazu beitragen, dass die Anlagekosten (durch Einsparung eines Lasers) reduziert werden können.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass mindestens eine Schutzeinrichtung zum Schutz der Umgebung vor dem mindestens einen Laserstrahl verwendet wird. Bei der Schutzeinrichtung kann es beispielsweise um eine Laserschutzkammer und/oder um eine lokale Kapselung handeln. Die Laserschutzkammer ist insbesondere mit einem Gehäuse gebildet, das die Kammer und/oder die Laser-Einrichtung(en) vorzugsweise vollständig umgibt. Die lokale Kapselung kann dazu eingerichtet und angeordnet sein bzw. werden, den Weg des Laserstrahl von der Laser-Einrichtung bis hin zu der Kammer lokal zu umgeben bzw. abzuschirmen. Die Anzahl der lokalen Kapselungen kann der Anzahl der Laser-Einrichtungen und/oder der Anzahl der Laserstrahleintrittsgläser entsprechen. Die Kapselung kann beispielsweise mit der Laser-Einrichtung auf die Kammer zu und wieder von dieser weg bewegt werden. Es kann eine sensorische Einrichtung vorgesehen sein, die erkennt, ob die Kapselung vorhanden ist, und den Laser erst freigibt, wenn die Kapselung erkannt wurde.
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Es kann eine Kammer vorgesehen sein, die wiederholt bzw. immer wieder neu mit einem Bauteil bestückt wird. In diesem Zusammenhang kann die Kammer mindestens einer Laser-Einrichtung (fest) zugeordnet und/oder in einer Anordnung mit mindestens einer Laser-Einrichtung (fest) integriert sein bzw. dort dauerhaft verbleiben. Alternativ können mehrere Kammern vorgesehen sein, die jeweils mit einem Bauteil bestückt werden und nacheinander in bestimmter Relation zu mindestens einer Laser-Einrichtung zwecks Verbindung des Zellstapels mit dem mindestens einen Kontaktelement angeordnet werden.
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Nach einem weiteren Aspekt wird ein Bauteil, umfassend zumindest mindestens einen Zellstapel zur Speicherung elektrischer Energie und mindestens ein Kontaktelement zur elektrischen Kontaktierung des mindestens einen Zellstapels, zur Speicherung elektrischer Energie vorgeschlagen, bei dem der mindestens eine Zellstapel und das mindestens eine Kontaktelement mittels einer unter reduziertem Umgebungsdruck erzeugten Laser-Schweißverbindung miteinander elektrisch leitend verbunden sind. Vorteilhafte Eigenschaften der so erzeugten Schweißverbindung sind insbesondere eine reduzierte Anzahl und/oder Größe an Poren und/oder eine feinere Schuppung und/oder eine feinere Ausbildung der Dampfkapillare (im Vergleich zu einer Schweißverbindung unter Umgebungsdruck). Ein weiterer Vorteil der so erzeugten Schweißverbindung kann in der Gleichmäßigkeit des Prozesses gesehen werden, was in vorteilhafter Weise zu einer möglichst homogenen Ausbildung der Dampfkapillare beitragen kann.
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Nach einem weiteren Aspekt wird eine Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils, umfassend zumindest mindestens einen Zellstapel zur Speicherung elektrischer Energie und mindestens ein Kontaktelement zur elektrischen Kontaktierung des mindestens einen Zellstapels, zur Speicherung elektrischer Energie vorgeschlagen, umfassend:
- • eine evakuierbare Kammer,
- • mindestens eine mit der Kammer verbindbare Evakuierungseinrichtung, mittels welcher zumindest ein Teil des in der Kammer befindlichen Gases evakuierbar ist,
- • mindestens eine Halte-Einrichtung, mittels welcher zumindest ein Teil des mindestens einen Zellstapels und des mindestens einen Kontaktelements in einer definierten Relativanordnung zueinander in oder an der Kammer haltbar sind,
- • mindestens eine Laser-Einrichtung, mittels welcher mindestens ein Laserstrahl zum Verbinden des mindestens einen Zellstapels und des mindestens einen Kontaktelements miteinander zur Ausbildung einer elektrisch leitenden Verbindung in die Kammer einbringbar ist.
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Die Vorrichtung kann beispielsweise zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens und/oder zur Herstellung eines hier beschriebenen Bauteils vorgesehen und eingerichtet sein. Die Evakuierungseinrichtung kann mindestens einen Vakuum- bzw. Unterdruckanschluss der Kammer und/oder mindestens eine Vakuum-Pumpe umfassen. Die Halte-Einrichtung kann mindestens eine Aufnahme für den mindestens einen Zellstapel bzw. für einen Warenträger, der den mindestens einen Zellstapel trägt, umfassen. Weiterhin kann die Halte-Einrichtung mindestens eine Auflage für das mindestens eine Kontaktelement umfassen. Die Laser-Einrichtung kann mindestens eine Laser-Quelle, insbesondere Infrarot-Laser-Quelle umfassen.
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Die im Zusammenhang mit dem Verfahren erörterten Details, Merkmale und vorteilhaften Ausgestaltungen können entsprechend auch bei dem hier vorgestellten Bauteil und/oder der Vorrichtung auftreten und umgekehrt. Insoweit wird auf die dortigen Ausführungen zur näheren Charakterisierung der Merkmale vollumfänglich Bezug genommen.
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Die hier vorgestellte Lösung sowie deren technisches Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in oder in Zusammenhang mit den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und/oder Erkenntnissen aus anderen Figuren und/oder der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Es zeigen schematisch:
- 1: ein Beispiel für eine hier beschriebene Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils in geschnitten dargestellter Seitenansicht,
- 2: die Vorrichtung aus 1 in Draufsicht,
- 3: die Vorrichtung aus 1 in geschnitten dargestellter Draufsicht,
- 4: ein weiteres Beispiel für eine hier beschriebene Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils in geschnitten dargestellter Seitenansicht,
- 5: ein weiteres Beispiel für eine hier beschriebene Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils in geschnitten dargestellter Seitenansicht,
- 6: eine Veranschaulichung eines möglichen Arbeitsschrittes der Vorrichtung aus 5,
- 7: ein weiteres Beispiel für eine hier beschriebene Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils in geschnitten dargestellter Seitenansicht und Draufsicht und,
- 8: ein weiteres Beispiel für eine hier beschriebene Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils in geschnitten dargestellter Seitenansicht und Draufsicht.
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1 zeigt schematisch ein Beispiel für eine hier beschriebene Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils 1 in geschnitten dargestellter Seitenansicht. Das Bauteil 1 dient zur Speicherung elektrischer Energie und umfasst hier beispielhaft einen Zellstapel 2 zur Speicherung elektrischer Energie und zwei Kontaktelemente 3 zur elektrischen Kontaktierung des Zellstapels 2. Der Zellstapel 2 und die Kontaktelemente 3 sind jeweils mittels einer unter reduziertem Umgebungsdruck erzeugten Laser-Schweißverbindung bzw. Laser-Schweißnaht 13 miteinander elektrisch leitend verbunden.
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Die Vorrichtung zur Herstellung des Bauteils 1 umfasst eine evakuierbare Kammer 4, mindestens eine mit der Kammer 4 verbindbare Evakuierungseinrichtung (hier angedeutet durch die zwei Unterdruckanschlüsse 6), mittels welcher zumindest ein Teil des in der Kammer 4 befindlichen Gases evakuierbar ist, mindestens eine Halte-Einrichtung 7, mittels welcher zumindest ein Teil des mindestens einen Zellstapels 2, der in wiederum in einem Warenträger 19 bereitgestellt ist, und des mindestens einen Kontaktelements 3 in einer definierten Relativanordnung zueinander in oder an der Kammer 4 haltbar sind, mindestens eine Laser-Einrichtung 8, mittels welcher mindestens ein Laserstrahl 5 zum Verbinden des mindestens einen Zellstapels 2 und des mindestens einen Kontaktelements 3 miteinander zur Ausbildung einer elektrisch leitenden Verbindung in die Kammer 4 einbringbar ist. In dem Warenträger 19 kann der Zellstapel 2 vom Stapelprozess zum Schweißen an- und abtransportiert und ggf. zu den weiteren Prozessschritten überführt werden.
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Bei dem in 1 dargestellten Beispiel handelt es sich bei der Vorrichtung insbesondere um eine Schweißvorrichtung, in der die Lagerung eines Li-Ionen Zellstapels 2 inkl. des Stapelträgers und des anzuschweißenden Kontaktelements 3 (Ableiters) zum Stapel stattfindet. Innerhalb dieser Vorrichtung können Schweißungen unter reduziertem atmosphärischen Druck oder im Vakuum durch geführt werden, um die Ableiter an den Stapel zu kontaktieren.
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Bei dem mindestens einen Zellstapel 2 handelt es sich hier beispielhaft um einen Zellstapel für eine Lithium-Ionen-Zelle. Der Zellstapel umfasst an zwei einander gegenüberliegenden Seiten (verschiedenpolige Elektroden-)Fähnchen 13, die zur elektrischen Verbindung des Zellstapels 2 von diesem hervorstehen. Im Bereich der Fähnchen 13 wird der Zellstapel 2 mit den Kontaktelementen 3 verbunden. Hierzu kann beispielsweise jeweils ein Kontaktelement 3 oberhalb oder unterhalb der Fähnchen 13 auf einer Seite gehalten und in dieser Relativanordnung mit den Fähnchen verbunden werden. Die entsprechende elektrisch leitende Verbindung ist in 1 beispielhaft mit den Schweißnähten 13 angedeutet. Die Kontaktelemente 3 dienen zum elektrischen Anschließen des Zellstapels 2 an beispielsweise einen Stromkreis. In 1 ist weiterhin beispielhaft dargestellt, dass die Fähnchen 12 jeder Seite mit einem Fähnchenspanner 14 versehen sein können.
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Die Evakuierungseinrichtung 6 umfasst (zusätzlich zu den Unterdruckanschlüssen 6) in der Regel mindestens eine Vakuum-Pumpe (hier nicht dargestellt), die über die Unterdruckanschlüsse 6 mit dem Raum in der Kammer verbindbar ist. Zur Relativpositionierung von Zellstapel 2 und Kontaktelement 3 zueinander weist die Halte-Einrichtung 7 hier beispielhaft zwei Auflagen 15 (sog. Ableiter-Auflagevorrichtung) zum Anordnen der Kontaktelemente 3 in definierter Position und eine Aufnahme 16 (sog. Stapelträgeraufnahme) zum Anordnen des (im Warenträger 19 gehaltenen) Zellstapels 2 in definierter Position auf. Grundsätzlich können der Zellstapel 2 und die Kontaktelemente 3 (Ableiter) gemeinsam oder separat eingelegt werden. Zur gemeinsamen Anordnung in der Kammer 4 und/oder an der Halte-Einrichtung 7 können die Kontaktelemente 3 an den Zellstapel 2 bereits angeheftet sein. Der Zellstapel 2 (inklusive Fähnchen 12) und die Kontaktelemente 3 können dabei gemeinsam in die Vorrichtung eingelegt werden. Die Halte-Einrichtung 7 kann insbesondere so gebildet sein, dass die Fügepartner (Fähnchen 12 und Kontaktelemente 3) gegenüber dem Laserstrahl 5 so angeordnet werden, dass (entweder) auf dem Kontaktelement 3 (Ableiter) oder einem Fähnchen 12 der Laserstrahl 5 zuerst auftritt bzw. in das Bauteil 1 eingekoppelt wird.
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Die Kammer 4 ist hier beispielsweise bauteildimensionsspezifisch gebildet. Die Kammer 4 ist hier beispielhaft in der Form einer Unterdruck/Vakuum-Laserkammer gebildet, die nur geringfügig größer als das Volumen des Bauteils 1, inklusive Zellstapel 2 und Kontaktelementen 3 (Ableiter), des Warenträgers 19 und der Halte-Einrichtung 7 (insbesondere der Aufliegevorrichtung der Ableiter) ist. Ein entsprechend geringes Volumen kann dadurch erreicht werden, dass die Kammer 4 an einen bestimmten Typ Zellstapel 2 bzw. eine bestimmte Zellstapelgröße angepasst wird und nicht für eine Vielzahl verschiedener Zellstapel geeignet sein muss. Dadurch wird die Evakuierungszeit der Laserkammer möglichst gering gehalten, da der mit zu evakuierende „Totraum“ minimiert ist. Dies spart vorteilhaft Herstellungszeit im Zellfertigungsprozess. Zudem können durch die damit reduzierte Taktzeit für das Bilden des Unterdrucks die Prozesskosten vorteilhaft reduziert werden.
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Bei dem mindestens einen Laserstrahl 5 handelt es sich hier jeweils um einen Infrarot-Laserstrahl. In 1 sind beispielsweise zwei Laser-Einrichtungen 8 vorgesehen, die ggf. auch als sogenannten Laseroptiken (oder „Scanner“) bezeichnet werden können. Jeder der zwei Laserstrahlen 5 kann durch eines von beispielhaft zwei Laserstrahleintrittsgläsern 9 in die Kammer 4 eintreten. Damit die Laserstrahlen 5 zielgerichtet in die Kammer 4 einstrahlen können, sind die Laserstrahleintrittsgläser 9 vorteilhafterweise in dem Bereich in eine Kammerwand (und/oder einen Kammerdeckel) eingelassen, in dem die Schweißungen erfolgen sollen.
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Als beispielhafte Schutzeinrichtung 10 zum Schutz der Umgebung vor dem mindestens einen Laserstrahl 5 wird in der beispielhaften Vorrichtung gemäß 1 eine Schutzeinrichtung 10 in Form einer Laserschutzkammer verwendet. Diese kapselt hier beispielhaft die (gesamte) Kammer 4 und ggf. auch die Laser-Einrichtungen 8.
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Mittels der beispielhaften, in 1 dargestellten Vorrichtung können aufgrund der zwei Laser-Einrichtungen 8 zwei Kontaktelemente 3 mittels zeitlich zumindest teilweise parallel oder gleichzeitig wirkenden Laserstrahlen 5 mit einem Zellstapel 2 verbunden werden. Somit können die zwei Schweißnähte 13 gleichzeitig hergestellt werden. Dadurch kann vorteilhaft Zeit im Zellherstellungsprozess gespart werden. Durch die zweite Laser-Einrichtung 8 können jedoch höhere Anlagenkosten entstehen. Dies kann mit anderen Worten auch so beschrieben werden, dass die Einstrahlung des Lasers für das Schweißen auf Anoden- und Kathoden-Seite simultan durch zwei Laser erfolgen kann.
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2 zeigt schematisch die Vorrichtung aus 1 in Draufsicht. In der Draufsicht ist zu erkennen, dass die Schweißnähte 13 unterhalb der Laserstrahleintrittsgläser 9 gebildet werden. Zudem ist hier veranschaulicht, dass die Kammer 4 nach oben hin mit einem Deckel 17 gebildet bzw. durch diesen begrenzt sein kann.
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3 zeigt schematisch die Vorrichtung aus 1 in geschnitten dargestellter Draufsicht. Dabei ist der Deckel 17 abgenommen. Somit ist der Blick von oben auf das gesamte Bauteil 1 frei.
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4 zeigt schematisch ein weiteres Beispiel für eine hier beschriebene Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils 1 in geschnitten dargestellter Seitenansicht. Die Bezugszeichen werden einheitlich verwendet, sodass im Folgenden vor allem auf die Unterschiede zu dem Beispiel aus den 1 bis 3 eingegangen wird.
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Die Vorrichtung gemäß 4 weist nur eine Laser-Einrichtung 8 auf. In diesem Zusammenhang werden die zwei Kontaktelemente 3 beispielsweise mittels zeitlich nacheinander wirkenden Laserstrahlen 5 mit einem Zellstapel 2 verbunden. Hierzu ist gemäß dem Beispiel nach 4 beispielhaft eine Dreh-Einrichtung 18 vorgesehen, mittels welcher die Kammer 4 und die Laser-Einrichtung 8 relativ zueinander verdreht werden können, sodass die Laser-Einrichtung 8 in einer Endposition der Drehbewegung über einem der Laserstrahleintrittsgläser 9 und in einer weiteren Endposition der Drehbewegung über einem weiteren der Laserstrahleintrittsgläser 9 positioniert wird. Dies kann mit anderen Worten auch so beschrieben werden, dass die Einstrahlung des Lasers für das Schweißen auf Anoden- und Kathoden-Seite durch ein Zustellen der zu schweißenden Seite durch einen Drehtisch erfolgen kann.
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5 zeigt schematisch ein weiteres Beispiel für eine hier beschriebene Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils 1 in geschnitten dargestellter Seitenansicht. Die Bezugszeichen werden einheitlich verwendet, sodass im Folgenden vor allem auf die Unterschiede zu dem Beispiel aus den 1 bis 3 eingegangen wird. Weiterhin kann das Prinzip des Drehens des Bauteils aus 4 mit dem Prinzip der Kapselung aus 5 auch vorteilhaft kombiniert werden.
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In 5 wird (statt der Laserschutzkammer) eine Schutzeinrichtung 11 in Form von lokalen Kapselungen verwendet, die zwischen den Laser-Einrichtungen 8 und dem Laserstrahleintrittsgläsern 9 angeordnet werden.
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Ziel der Schutzeinrichtung 11 ist es den zwischen der Laser-Einrichtung 8 und der (Unterdruck/Vakuum-)Kammer 4 in der Regel verbleibenden Freiraum lokal zu kapseln. Der Freiraum wird insbesondere zur Kontrolle bzw. Eindämmung der freien Laserstrahlung aus Sicherheitsgründen abgekapselt. Wenn nicht die gesamte Einheit bestehend aus Laser-Einrichtung 8 und Kammer 4 eingehaust (vgl. hierzu Schutzeinrichtung 10 in 1 bis 4) werden kann oder soll, so kann der Freiraum zwischen Laser-Einrichtung 8 und der Kammer 4 zum Beispiel mit der Schutzeinrichtung 11 in Form von lokalen Kapselungen verschlossen werden. Dieser Verschlussmechanismus wird im Folgenden „Kapselung“ genannt.
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6 zeigt schematisch eine Veranschaulichung eines möglichen Arbeitsschrittes der Vorrichtung aus 5. Die Öffnungen der Kapselung (Schutzeinrichtung 11) ist in der Regel nicht dauerhaft mit der Laser-Einrichtung 8 und/oder mit der Kammer 4 verbunden, sodass die Lasersicherheit durch Aufsetzen der Kapselung auf die Laser-Einrichtung 8 und/oder die Kammer 4 erreicht wird. In Diesem Zusammenhang veranschaulicht 6 eine mögliche Zustellbewegung nach Aufsetzen der der Kapselung auf die jeweilige Laser-Einrichtung 8. Dabei sind eine gemeinsame Zustellbewegung oder separate Zustellbewegungen der Laser-Einrichtungen 8 möglich.
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7 zeigt schematisch ein weiteres Beispiel für eine hier beschriebene Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils 1 in geschnitten dargestellter Seitenansicht (obere Darstellung in 7) und Draufsicht (untere Darstellung in 7). Die Bezugszeichen werden einheitlich verwendet, sodass im Folgenden vor allem auf die Unterschiede zu dem Beispiel aus den vorherigen Figuren eingegangen wird. 7 veranschaulicht beispielhaft, dass es ausreichen kann, wenn (nur) ein Teil des mindestens einen Zellstapels 2 und des mindestens einen Kontaktelements 3 in einer definierten Relativanordnung zueinander in der Kammer 4 angeordnet sind. In der Regel ist dabei der Bereich von der Kammer 4 umgeben, in dem die Verbindung erzeugt werden soll. In der 7 sind in diesem Zusammenhang auf der linken Seite und auf der rechten Seite verschiedene Möglichkeiten zur Realisierung des Beispiels veranschaulicht.
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8 zeigt schematisch ein weiteres Beispiel für eine hier beschriebene Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils in geschnitten dargestellter Seitenansicht (obere Darstellung in 8) und Draufsicht (untere Darstellung in 8). Die Bezugszeichen werden einheitlich verwendet, sodass im Folgenden vor allem auf die Unterschiede zu dem Beispiel aus den vorherigen Figuren eingegangen wird. 8 veranschaulicht beispielhaft, dass zumindest ein Teil des mindestens einen Zellstapels 2 und des mindestens einen Kontaktelements 3 in einer definierten Relativanordnung zueinander an der Kammer 4 angeordnet sein kann. Dabei können der Zellstapel 2 und das mindestens eine Kontaktelement 3 beispielsweise eine Art Boden der Kammer 4 bilden, wobei es ggf., wie in 8 dargestellt, ausreichen kann, wenn das Element (Zellstapel oder Kontaktelement), auf welches der Laserstrahl 5 zuerst auftritt, in unmittelbarem Kontakt mit dem restlichen Teil der beispielsweise in der Art einer Glocke gebildeten Kammer 4 ist.
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Weiterhin sind unterschiedliche Konzepte für die Anwendung der Kammer 4 (beispielsweise in Form eines Warenträgers) möglich. so kann die Kammer 4 beispielsweise dauerhaft in einer Laseranlage positioniert verbleiben und wiederholt (bzw. immer wieder neu) mit Bauteilen 1 bestückt werden. Ein Vorteil dieses Konzeptes ist, dass der Einrichtungsprozess nur einmal durchgeführt werden muss. Alternativ können mehrere Kammern 4 pro Laseranlage verwendet werden. Beispielsweise können mehrere Kammern 4 in einem Umlaufbetrieb zur Anwendung kommen. Dabei kann die Beladung der Kammer mit dem Bauteil 1 außerhalb der Laseranlage erfolgen. Weiterhin kann die Kammer 4 außerhalb der Laseranlage geschlossen und/oder evakuiert werden. Dadurch wird kann Prozesszeit in der Laseranlage vorteilhaft eingespart werden.
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Somit können ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, ein Bauteil sowie eine Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils angegeben werden, welche die im Zusammenhang mit dem Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise lösen. Insbesondere werden ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, ein Bauteil sowie eine Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils angegeben, die insbesondere zumindest zu einer Zeitersparnis und/oder Kostenersparnis bei der Herstellung von (Lithium-Ionen-)Batterien beitragen können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bauteil
- 2
- Zellstapel
- 3
- Kontaktelement
- 4
- Kammer
- 5
- Laserstrahl
- 6
- Evakuierungseinrichtung
- 7
- Halte-Einrichtung
- 8
- Laser-Einrichtung
- 9
- Laserstrahleintrittsglas
- 10
- Schutzeinrichtung
- 11
- Schutzeinrichtung
- 12
- Fähnchen
- 13
- Schweißnaht
- 14
- Fähnchen-Spanner
- 15
- Auflage
- 16
- Aufnahme
- 17
- Deckel
- 18
- Dreh-Einrichtung
- 19
- Warenträger
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012213110 A1 [0002]
- DE 102016225175 A1 [0003]
- EP 2518812 A2 [0004]
- DE 4005674 A1 [0005]
