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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur stabilen, dauerhaften elektrischen und mechanischen Anschlusskontaktierung
eines vorzugsweise stiftförmigen,
elektrisch leitfähigen
keramischen Elementes. Eine derartige Kontaktierung findet insbesondere
Anwendung bei der Herstellung von Glühkerzen für Dieselmotoren, wobei die
kontaktierende Verbindung einer hohen thermischen und mechanischen
Beanspruchung ausgesetzt ist.
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Für
die Herstellung von Glühkerzen
zur Verwendung in Dieselmotoren sind unterschiedliche Konstruktionen
bekannt. Dabei werden Drähte
(beispielsweise in
US 5,750,958 ;
EP 0 648 978 T1 ,
EP 0 678 978 B1 ,
EP 0 647 978 A3 )
oder elektrisch leitfähige
Schichten (z. B.
DE 44 33 505 )
in keramische Materialien oder elektrisch leitfähige Partikel (
US 5,519,187 ) schichtweise in keramische
Materialien eingebracht. Die leitenden Materialien haben in der Regel
eine U-förmige
Gestalt, wobei sich das geschlossene Teil der U-Form an einem Ende
des Stabes befindet, die offenen Enden der U-Form hingegen am anderen
Ende oder an der Mantelfläche
enden. Wird an diesen Enden eine Spannung angelegt, so führt der
Strom zur Erwärmung
der elektrisch leitenden Materialien und der sie umgebenden Keramik.
Die hierdurch erreichbaren Temperaturen werden zur Zündung eines
Brennstoff-Luft-Gemisches, wie in Dieselmotoren, verwendet. Die
umhüllende Keramik
wirkt sowohl als Isolator wie auch als Oxidationsschutz. Die Gesamtkonstruktion,
also Keramik und darin enthaltene leitfähige Schichten, Drähte, etc wird
in den Patentschriften als "keramische
Elektrode" oder "keramischer Glühstift" bezeichnet. Dies
ist nicht zu verwechseln mit einer insgesamt elektrisch leitenden
Keramik, die als Elektrode eingesetzt wird, wie beispielsweise gemäß
DE 198 44 329 A1 .
Das Kernproblem, welches hingegen die vorliegende Erfindung lösen soll,
ist die Kontaktierung von am Mantel des vorzugsweise stiftförmigen Elementes
austretenden elektrisch leitfähigen
Materialien.
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Auf Grund der schnellen und immer
wieder erfolgenden Erwärmung
ist die Kontaktstelle einer hohen Belastung unterworfen. Mit der
Lösung
des besagten Problems haben sich bereits eine Reihe von Patentschriften
(beispielsweise
DE
198 44 347 A1 ,
US 6,130,410 ,
DE 100 20 328 A1 ,
DE 100 23 395 A1 ,
US 5,519187 ,
WO 01/16529 ,
EP 1 125 086 A1 ,
WO 00/19772 ,
EP 1 125 475 A2 ,
EP 1 050 717 A1 ,
EP 0 106 232 A1 )
beschäftigt.
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Es besteht die Schwierigkeit, trotz
der starken durch Temperaturen bis über 600°C verursachten thermomechanischen
Beanspruchungen und dadurch an der Kontaktierungsstelle auftretenden Spannungen
einen zuverlässigen
elektrischen Kontakt zur Keramikelektrode zu schaffen und zu erhalten.
Metalle zur stoffschlüssigen
Verbindung dehnen sich stärker
aus als die Keramik, so dass der elektrische Kontakt verloren geht.
Bei Abkühlung
würde das
Metall hingegen auf die Keramik aufschrumpfen. Die hierbei entstehenden
thermisch induzierten Spannungen zerstören bzw. gefährden die
spröde Keramik.
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Zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung
sind grundsätzlich
alle klassischen Verbindungstechniken, wie beispielsweise eine mechanische
Verbindung in Form einer Schelle, Verschweißen, Kleben, Löten, denkbar.
Da diese Verbindung aber elektrisch leitfähig und im Temperaturbereich von –40 °C bis über +600°C mit eine
Scherspannung von 0,3–13
MPa belastbar sein müssen,
findet sich in der Literatur kein befriedigender Ansatz zur Lösung dieses
Problems. Bei Zwischenschichten aus Kohlepulver, Metallpulver, Mischung
aus Metallpulver und Keramikpulver (
DE 198 44 347 A1 ) ist keine hinreichende
mechanische Kraftübertagung
gewährleistet und
der elektrische Kontakt ist nur durch ein Pulver gegeben, dessen
Stromtragfähigkeit
begrenzt ist. Auch ein aus Graphitfolie gewickelter Hohlzylinder, wie
ebenfalls in
DE 198
44 347 A1 beschrieben, ist nicht in der Lage größere Kräfte aufzunehmen.
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Aus anderen Patentschriften sind
Versuche erkennbar, das Problem durch unterschiedliche Konstruktionen
zu lösen.
Diese haben aber verschiedene, unter anderem fertigungstechnische
Schwierigkeiten. So wird in
US
6,130,410 eine Glasschicht genannt, welche die Metallhülse befestigen
soll, der eigentliche Kontakt wird aber mittels eines Drahtes um die
Schicht herum gleitet. In
DE
100 20 328 A1 wird mit einer Tablette aus elektrisch leitfähigem Pulver gearbeitet.
Diese wird mit dem zu verbindenden Stift stirnseitig kontaktiert
und mit dem metallischen Ring radial "verstemmt". Durch eine "elastische Vorspannung" sollen u. a. die
thermischen Spannungen und Schwingungsbeanspruchung ausgeglichen
werden. In
DE 100
23 395 A1 wird die Kontaktierung möglichst weit aus dem Brennraum
heraus an die Mantelfläche
verlagert, eine Zwischenschicht wird hier nicht beschrieben. In
US 5,519187 wird eine Kontaktierung
mit einer Hartlötlegierung
und leitfähigen
Partikeln offenbart.
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Trotz der zahlreichen Veröffentlichungen, welche
auch die Bemühungen
der Wissenschaft auf diesem speziellen Gebiet demonstrieren, ist
es offenbar nicht gelungen, eine zufriedenstellend thermomechanisch
stabile und zudem fertigungstechnisch einfache Kontaktierung zu
erreichen.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe
zu Grunde, einen bis zu Temperaturen von mehr als 600°C zuverlässigen und
mechanisch stabilen Kontakt zu einem vorzugsweise stiftförmigen keramischen
Element zu schaffen sowie dauerhaft zu erhalten. Die Kontaktstelle
soll dabei nicht nur zur elektrischen Anschlusskontaktierung des
keramischen Elementes dienen, sondern auch zu dessen mechanischer
Aufnahme, insbesondere zur Halterung, Lagerung und Positionierung.
Außerdem
soll die Kontaktierung aufwandgering herstellbar sein und weder
bei Herstellung noch bei Anwendung die Gefahr einer Schädigung des
keramischen Elementes in sich bergen.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Anschlusskontaktierung
des vorzugsweise stiftförmigen
keramischen Elementes durch mindestens ein auf oder an das keramische
Element gefügtes
Kontaktelement aus einem kompakten, hochporösen und elektrisch leitenden
Material. Ein solches Kontaktelement ermöglicht durch seine kompakte,
aber poröse
Beschaffenheit sowohl eine feste als auch werkstoffelastische Fügung zum
keramischen Element, welche von tiefen Temperaturen bis zu hohen
Temperaturen, insbesondere über
600°C, und
trotz der hohen thermischen Beanspruchung und der daraus resultierenden
Volumenänderungen
eine feste und dauerhaft stabile Fügung mit zuverlässiger elektrischer
Kontaktierung gewährleistet.
Das Kontaktelement kann dabei in vorzugsweise geschlossener Hülsen-, Muffen-, Ring-
bzw. Flanschform oder auch in Form eines Andruckkissens ausgebildet
sein sowie auf oder an das keramische Element gefügt werden.
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Untersuchungen haben ergeben, dass
ein solche Kontaktelement beispielsweise durch an sich und insbesondere
für Filterzwecke
(z. B. BEKIPOR®ST)
bekanntes gesintertes oder ungesintertes Metallfaservlies oder auch
durch ebenfalls für
Filterzwecke bekanntes gesintertes Drahtgewebe realisiert werden
kann. Weitere Möglichkeiten
bestehen in der Verwendung metallischer Schäume und durch Einsatz gesinterter
poröser
Metalle. Über
Verwendungen derartiger Materialien zur hochbelastbaren thermomechanisch
stabilen elektrischen Kontaktierung, insbesondere spröder Materialien,
ist in der Fachwelt nichts bekannt geworden.
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Ein großer Vorteil der Erfindung ist
die Variabilität
in der Herstellung der Kontaktierung und deren geringer technologischer
und wirtschaftlicher Aufwand. Im einfachsten Fall könnte auf
eine stiftförmige Keramikelektrode,
wie sie für
Glühkerzen
bei Dieselmotoren Verwendung findet, das Kontaktelement in besagter
Ring-, Hülsen-,
Muffen- oder ähnlicher Form
aufgefügt
werden, wobei eine konische Ausbildung der Fügestelle (Keramikelektrode
und/oder Kontaktelement) die lagespezifische Fügung unterstützt.
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Das Kontaktelement besitzt einen
elektrischen Anschluss, beispielsweise durch eine Lotverbindung
und übt
auf Grund seines kompakten, aber hochporösen Materials auf das keramische
Element eine werkstoffelastische Wirkung für eine form- bzw. kraftschlüssige Fügung aus.
Dieses werkstoffelastische Verhalten eines kompakten Materials,
welches zwar massiv ist und die besagten Poren aufweist, kann hinsichtlich
des Elastizitätsmoduls
durch Volumenanteil und Orientierung der Poren in dem massiven Werkstoff
je nach Verwendungszweck gezielt beeinflusst werden. Hierüber sowie über die
Materialstärke
kann der Verformungsweg beeinflusst werden, um rein elastische Verformungen
im Kontaktelement selbst zu gewährleisten.
Das Kontaktelement ist somit in der Lage, auf unterschiedliche Dehnungen
zu reagieren und sorgt zudem für
eine Flächenverteilung
jeglicher Krafteinwirkung bei Herstellung der Kontaktierung und/oder
deren Anwendung, so dass die Gefahr von Schädigungen des keramischen Elementes,
beispielsweise durch Punktlasten und Biegemomente, weitgehend vermieden
wird.
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In der Praxis wird eine vorbeschriebene
Kontaktierung gut beherrschbar und automatisierbar sein. Um auch
plastische Verformungen an der Kontaktierungsstelle zu ermöglichen
oder Übergangswiderstände zu vermindern,
wäre ferner
eine zusätzliche
Lötverbindung
zwischen dem Kontaktelement und dem keramischen Element vorteilhaft.
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Das Kontaktelement kann aus einer
oder mehreren Schichten der beispielhaft vorgenannten Materialen
(auch unterschiedlicher Art) bestehen, mit denen die Elastizität der Kontaktierungsfügung definiert
eingestellt werden kann.
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Besonders zweckmäßig könnten sich, insbesondere aus
technologischen Gründen,
Kontaktelemente aus einem Material mit gradierter Porosität erweisen.
Beispielsweise könnte
im Sinterprozess ein Material hergestellt werden, dessen Porosität in Richtung
der Kontaktierungsstelle mit dem keramischen Element zunimmt. Auf
diese Weise könnte eine
feste mechanische Aufnahme (geringere Porosität im Außenbereich des Kontaktelementes)
und dennoch eine sehr werkstoffelastische thermisch hoch belastbare
Kontaktierung unmittelbar an der Fügestelle (höhere Porosität in der
Füge- und
Kontaktierungszone des Kontaktelementes) realisiert werden.
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Die hohe Porosität ermöglicht auch das zusätzliche
Einbringen von weiteren funktionalen Materialien, z. B. der Infiltration
mit besonders elektrisch leitfähigem
Material, oder dem Einflechten oder Einnähen von Kupferfasern, die in
radialer Richtung einen Kontakt mit hoher Leitfähigkeit zwischen Aufnahmeelement
und Keramik ergeben, ohne dabei nennenswerte Kräfte auf die Keramik auszuüben.
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Die Erfindung soll nachstehend anhand
von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
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Es zeigen:
- 1: Kontakthülse aus
einem Material mit statistischer Porenverteilung allein bzw. auf
dem zu kontaktierenden Keramikstift aufgesetzt
- 2: Kontakthülse aus
einem Material mit gradierter Porenverteilung allein bzw. auf dem
zu kontaktierenden Keramikstift aufgesetzt
- 3: Kontakthülse aus
einem Material mit hohem Anteil und gradierter Verteilung von Porenkanälen allein
bzw. auf dem zu kontaktierenden Keramikstift aufgesetzt
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In 1 ist
in Schnittdarstellung eine zylindrische Kontakthülse 1 aus porösem Metall
allein (linke Abbildung) bzw. auf einen zu kontaktierenden im Wesentlichen
zylindrischen Keramikstift 2 aufgesetzt (rechte Abbildung)
gezeigt. Ein solcher Keramikstift 2 könnte beispielsweise die Keramikelektrode
einer Glühkerze
für Dieselmotoren
sein. Das Material der Kontakthülse 1 enthält Poren 3,
die statistisch über die
Querschnittsfläche
der Kontakthülse 1 verteilt sind.
Auf Grund dieser Porenverteilung weist das Material der Kontakthülse 1 über den
gesamten Querschnittsbereich von außen nach innen eine weitgehend
gleiche Werkstoffelastizität
auf. Eine derartige Porenstruktur entsteht typischerweise bei der
pulvermetallurgischen Herstellung beispielsweise von gesinterten
Metallfiltern. Porengröße und Form
können durch
die Partikelgrößenverteilung
des Metallpulvers beeinflusst werden. Durch das Einbringen von „Opferphasen", die sich im Laufe
des Sinterprozesses zersetzen, kann weiterhin auf Porengröße und Verteilung
Einfluss genommen werden. In der Regel ist durch diese Technologie
der Anteil an Poren aber weniger als 60 Vol%, und diese haben überwiegend eine
statistische Orientierung. In Schliffbild-Darstellung erscheinen
die Poren meist in einer Matrix eingelagert, weshalb sie in der
Zeichnung im Wesentlichen sphärisch
dargestellt sind. Auch geschäumte Strukturen,
wie sie bei Aluminium Stand der Technik sind, könnten hier Anwendung finden.
Als Metallpulver sollte ein Metall gewählt werden, das hinreichende
elektrische Leitfähigkeit,
einen möglichst
niedrigen Elastizitätsmodul
sowie einen möglichst
niedrigen Ausdehnungskoeffizient besitzt. Aus physikalischen Gründen haben
aber Materialien mit einem geringen Ausdehnungskoeffizienten einen
hohen Elastizitätsmodul.
Es ist daher zweckmäßig, ein
verfügbares,
kostengünstiges
und möglichst
zunderbeständiges
Stahlpulver zu wählen,
wie es etwa beim Sinterschmieden von Zahnrädern eingesetzt wird. Im einfachsten
Falle könnten
aber auch metallische Filterelemente Verwendung finden (z. B. gesinterte
Metallfilter aus rostfreiem Stahl). Zur Kontaktierung wird die Kontakthülse 1 (wie
in der rechten Abbildung von 1 ersichtlich)
auf den Keramikstift 2 aufgeschoben und bildet durch die
besagte Werkstoffelastizität eine
form- und kraftschlüssige
Fügeverbindung
mit demselben, durch welche eine mechanisch stabile Aufnahme sowie
eine zuverlässige
elektrische Kontaktierung des Keramikstiftes 2 bewirkt
wird, die auch erhalten bleibt, wenn sich die Werkstoffe der Kontakthülse 1 und
des Keramikstiftes 2 infolge unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten
bei thermischer Beanspruchung different ändern. Darüber hinaus sorgt das werkstoffelastische,
kompakte Material der Kontakthülse 1 nicht
nur für
die form- und lagebeständige Aufnahme
des Keramikstiftes 2, und dessen dauerhafte elektrische
Anschlusskontaktierung, sondern auch für eine flächenmäßige Verteilung von mechanischen
Materialbeanspruchungen, welche bei Herstellung und/oder Anwendung
der Verbindung an der Fügefläche zwischen
Kontakthülse 1 und
Keramikstift 2 auf die relativ spröde Keramik wirken. Punktlasten
und Biegemomente, die zur Beschädigung
oder Zerstörung
des Keramikstiftes 2 führen
könnten,
werden somit vermieden. Ferner werden durch das werkstoffelastische
Material der Kontakthülse 1 eventuelle Formabweichungen
und Fertigungstoleranzen der Fügeelemente
ausgeglichen.
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In 2 ist
ebenfalls in Schnittdarstellung eine weitere Kontakthülse 4 aus
demselben Material, wie die Kontakthülse 1 aus 1 dargestellt. Im Unterschied
zum vorigen Ausführungsbeispiel
weist das Material der Kontakthülse 4 nicht
eine statistische, sondern eine gradierte Verteilung der Poren 3 auf. Die
Porendichte nimmt dabei über
die dargestellte Querschnittsfläche
der Kontakthülse 4 von
außen nach
innen zu, wodurch auch die Werkstoffelastizität wächst. Die Herstellung eines
derartig gradierten Gefüges
ist ebenfalls durch die Pulvermetallurgie erreichbar und an sich
bekannt. Zur lage- und formstabilen Aufnahme (Halterung, Positionierung,
Anschlusskontaktierung) besitzt die Kontakthülse 4 an ihrem Umfang
eine geringere Werkstoffelastizität als in ihrem Innern (Fügefläche zum
Keramikstift 2). In der linken Abbildung von 2 ist die Kontakthülse 4 wiederum
allein dargestellt, in der rechts nebenstehenden Abbildung der 2 ist die Kontakthülse 4 (vergleichbar
mit der äquivalenten
Abbildung der Kontakthülse 1 in 1) auf den Keramikstift 2 aufgefügt. Die
Werkstoffelastizität
der Kontakthülse 4 ist im
Bereich der Fügefläche mit
der Werkstoffelastizität der
Kontakthülse 1 in 1 vergleichbar, so dass auch
die Eigenschaften der jeweiligen in den beiden Figuren der Zeichnung
dargestellten Fügeflächen zwischen
der Kontakthülse 1 bzw. 4 und
dem Keramikstift 2 im Wesentlichen identisch sind.
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Eine weitere Kontakthülse 5 ist
in 3 allein (linke Abbildung)
sowie wiederum auf den Keramikstift 2 aufgefügt (rechte
Abbildung) dargestellt. Dieses Material der Kontakthülse 5 besitzt
statt der in den beiden vorigen Ausführungsbeispielen gezeigten eher
sphärischen
Poren 3 der Kontakthülsen 1 bzw. 4,
Porenkanäle 6 mit
hohem Volumenanteil an Porosität.
Die Unterschiede entstehen durch die jeweilige Herstellungstechnologie
an sich. Die beiden erstgenannten Ausführungsbeispiele resultieren
aus der Verarbeitung von Metallpulvern, das Material der in 3 gezeigten Kontakthülse 5 repräsentiert
hingegen eine Verarbeitung von Metallfasern oder Drähten. Hier
werden zunächst
Metallfasern, insbesondere durch Legen, Flechten, Weben, zu Matten,
Rohren, Gewirken etc. verarbeitet. Durch einen Sinterschritt unter
Druck werden diese Fasergelege, -gewebe bzw. -geflechte verdichtet
und die Metallfasern an den Kontaktstellen gesintert. Über den
Fasergehalt, der selbst gradiert herstellbar ist, oder über eine Schichtenanordnung
mit unterschiedlichem Fasergehalt unter zusätzlichem Einbringen von Metallpulvern kann
eine gradierte Porosität
erzeugt werden. Auf Grund der faserigen Matrix sind die Poren in 3 als Porenkanäle 6 dargestellt. Über die
Dicke der Fasern, deren Orientierung, der Materialauswahl und besagter
Fasergehalt ergibt sich sogar ein weites Spektrum, um die Eigenschafen
der Kontakthülse 5 nicht
nur gradiert sondern auch anisotrop zu gestalten. Das heißt, es wäre z. B.
ebenfalls möglich,
die Werkstoffelastizität
in den Richtungsachsen der Kontakthülse 5 jeweils unterschiedlich
zu gestalten. Die in 3 angedeuteten
Porenkanäle 6 weisen
(vgl. Ausführungsbeispiel
2) lediglich die besagte gradierte Verteilung über die dargestellte Querschnittsfläche senkrecht
zur axialen Richtung der Kontakthülse 5 auf. Damit besitzt
die Kontakthülse 5 zur
lage- und formstabilen Aufnahme (Halterung, Positionierung, Anschlusskontaktierung)
an ihrem Umfang ebenfalls die bereits vorbeschriebene geringere
Werkstoffelastizität
als in ihrem Innern (Fügefläche zum
Keramikstift 2).
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Die Haftfestigkeit der Fügeverbindung
ist über
die Porositätsstruktur
(Porengröße und -verteilung
des Materials, über
die Dicke der Kontakthülse 1, 4 bzw. 5 sowie über die
Temperatur, auf welche die Fügeverbindung
erwärmt
wird, beeinflussbar.
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Es ist vorteilhaft, die Fügeverbindung über die
spätere
Einsatztemperatur hinaus zu erwärmen, denn
es entstehen beim Abkühlen
in Abhängigkeit der
Temperaturdifferenz berechenbare Spannungen, die umso höher sind,
desto größer die
Temperaturdifferenz ist. Diese Spannungen werden aber beim bestimmungsgemäßen Einsatz
der Fügeverbindung, sofern
die Fügetemperatur
nicht überschritten
wird, keinesfalls größer als
die Spannungen sein, welche beim Abkühlen von der Fügetemperatur
bewirkt wurden. Auf diese Weise sind die bei Betriebstemperatur gewünschten
Spannungen kalkulierbar, unter der Voraussetzung, dass in Folge
der weiteren Abkühlung bis
auf Raumtemperatur, bzw. minimalen Einsatztemperatur die Dehngrenze
des Material, aus welchem die Kontakthülse 1, 4 bzw. 5 besteht,
nicht überschritten
wird.
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Für
den Fall dass die vorgenannte Voraussetzung nicht erfüllt ist,
wäre (aus Übersichtsgründen nicht
in der Zeichnung dargestellt) eine zusätzliche Lötverbindung zwischen der Kontakthülse 1, 4 bzw. 5 sowie
dem Keramikstift 2 zweckmäßig. Dadurch werden auch plastische
Formänderungen
der Fügeverbindung
ermöglicht,
ohne dass der zuverlässige
elektrische Kontakt zwischen den Fügeelementen verloren geht,
sowie eventuelle elektrische Übergangswiderstände verringert.
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- 1,
4, 5
- Kontakthülse
- 2
- Keramikstift
- 3
- Poren
- 6
- Porenkanäle