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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung
zum Abisolieren eines Drahtes, insbesondere eines Flachbandkabels.
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Isolierte
Drähte
werden meist zur Verbindung von elektrischen und elektronischen
Bauelementen verwendet. Sie müssen
im Allgemeinen vor der Verbindung mit den jeweiligen Bauelementen
an entsprechenden Stellen abisoliert werden. Dieses Abisolieren
sollte dabei derart geschehen, dass keine Beschädigung des innerhalb der Isolationsschicht eingebetteten
Drahtes erfolgt, was insbesondere bei der Verwendung dünner Drähte zu erheblichen Schwierigkeiten
führen
kann.
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Flachbandkabel
bieten eine elegante Möglichkeit,
eine Vielzahl von Leitern gewichtssparend und übersichtlich zu verlegen. Um
das Flachbandkabel mit elektrischen Bauelementen zu verbinden, müssen die
Enden des Flachbandkabels entsprechend abisoliert werden, um so
die im Inneren des Flachbandkabels befindlichen elektrischen Leiter
mit den elektrischen Bauelementen elektrisch kontaktieren zu können. Ebenso
kann es erforderlich sein, Abzweigungen oder Kontaktstellen entlang
des Flachbandkabels, entweder auf nur einer oder beiden Seiten des
Flachbandkabels, zu schaffen. Hierzu werden an den jeweiligen Abisolationsstellen
Ausnehmungen in der Isolationsschicht des Kabels geschaffen, um
auf diese Weise den elektrischen Leiter freizulegen. Dieses Abisolieren
ist jedoch wegen der zueinander sehr eng beabstandeten elektrischen
Leiter oftmals schwierig.
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So
ist zum Beispiel aus der
DE
101 46 720 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abisolieren
eines Flachbandkabels bekannt, bei dem die Isolationsschicht zunächst an
der jeweiligen Abisolationsstelle mit Hilfe eines Laserstrahls verdampft
wird. Dabei ist allerdings festgestellt worden, dass eine im Bereich
einiger Mikrometer dicke Restschicht des Isolationsmaterials auf
den elektrischen Leitern zurückbleibt.
Diese feine Restschicht wird anschließend durch Bestrahlung mit
körnigem
Material entfernt. Unter Bestrahlung mit körnigem Material wird hier eine
Bestrahlung mit einem Festkörper
verstanden, wie z.B. Sandkörner
oder Glas-Perlen.
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Des
Weiteren ist aus der
DE
35 01 839 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abisolieren von
Drähten
bekannt, bei der das die Drähte
umgebende Isolationsmaterial mit einem gepulsten Laser, wie z.B.
einem UV-emittierenden Excimer-Laser,
berührungsfrei
verdampft wird.
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Ferner
ist in der
DE 41 02
987 A1 ein Lasergerät
beschrieben, das zum Entfernen eines ausgewählten Isolationsbereichs an
zueinander entgegengesetzten Seiten eines isolierten Drahtes eingesetzt wird.
Das Lasergerät
weist Fokussierköpfe
auf, die den Laserstrahl auf die entsprechenden Seiten des Drahtes
fokussieren, um so ein Abdampfen der Isolation zu erzielen.
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Mit
Hilfe der in den oben erwähnten
Druckschriften beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen zum Abisolieren
von Drähten
wird das Isolationsmaterial mit Hilfe des Lasers entweder verdampft, verbrannt
oder "abgesprengt", wodurch jedoch
auf der Leiteroberfläche
eine dünne
Restschicht verbleibt, deren Dicke im Bereich einiger Mikrometer liegt.
Diese dünne
Restschicht wirkt sich störend
auf Folgeprozesse, wie z.B. das Löten bzw. Schweißen, aus.
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Zudem
sind mechanische Lösungen
zum Abisolieren von Drähten
allgemein bekannt, wie z.B. das Fräsen und Schaben, bei denen
eine blanke Leiteroberfläche,
d.h. ohne dünne
Restschicht, erhalten wird. Allerdings tritt bei diesen mechanischen
Verfahren das Problem auf, dass eine Beschädigung des in der Isolationsschicht
eingebetteten Leiters nur schwerlich vermieden werden kann, da diese
mechanischen Verfahren nicht berührungsfrei
arbeiten. Aufgrund der mechanischen Bearbeitung der Isolationsschicht
kann auf der Leiteroberfläche
eine Kerbe bzw. Fräskante
zurückbleiben,
die im Abisolierbereich des Drahtes eine Sollbruchstelle bildet.
Ebenso besteht die Gefahr der Oxidation der freigelegten Leiteroberfläche bis
zur weiteren Verarbeitung des Drahtes, was sich wiederum negativ
auf nachfolgende Prozesse, wie z.B. das Löten oder Schweißen, auswirkt.
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Die
DE 199 58 763 C1 offenbart
ein Verfahren zum Abisolieren und/oder Trennen von mineralisolierten
Leitungen mit einem Metallmantel, wobei mit einem Laserstrahl ein
rahmenartiger Trennschnitt in die Mantelschicht eingebracht und
diese dann innerhalb des Rahmens mit Hilfe einer Abhebevorrichtung
abgehoben wird.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
und eine Vorrichtung vorzusehen, die ein berührungsfreies, präzises Abisolieren der
Isolationsschicht eines Drahtes ermöglichen, ohne dass Restrückstände der
Isolationsschicht auf der Leiteroberfläche zurückbleiben, und die die Möglichkeit
der Vermeidung einer Oxidation der Leiteroberfläche bis zur weiteren Bearbeitung
des Drahtes vorsehen.
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Diese
Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches
1 und durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 11
gelöst.
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Gemäß der Erfindung
verläuft
der mittels des Laserstrahls gebildete Trennschnitt in der Isolationsschicht
entlang einer geschlossenen Bahn, was anschließend zu einem einfacheren Abheben
der innerhalb des durch den Trennschnitt bestimmten Bereichs der
Isolationsschicht und des Weiteren zu einer genau definierten, sauberen
Abisolationsstelle führt.
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Vorzugsweise
werden mehrere Trennschnitte gleichzeitig an einer, bevorzugt auch
an beiden flachen Seiten eines Flachbandkabels gebildet. Dies führt zu einer
Verkürzung
der Bearbeitungszeit und somit auch zu einer erheblichen Kostenersparnis
des Bearbeitungsprozesses.
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Gemäß der Erfindung
wird der abzuisolierende Draht vor dem Abheben des durch den Trennschnitt
bestimmten Bereichs der Isolationsschicht um den kreisförmigen Querschnitt
einer Welle gelegt. Dadurch wird eine bessere Angriffsfläche des
abzuhebenden Bereichs der Isolationsschicht vorgesehen, was im Anschluss
vorzugsweise mittels einer rotierenden Bürste, eines Saugnapfes, eines
gefederten Keils, einer Druckluftstromvorrichtung oder einer Vibrationsvorrichtung
durchgeführt
werden kann.
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Bevorzugt
werden der Lasertyp und die Laserparameter derart gewählt, dass
die Isolationsschicht im Bereich des Trennschnittes lediglich thermisch
bearbeitet wird, d.h. verdampft bzw. verbrannt wird. Dadurch muss
nicht die gesamte Isolationsschicht im Bereich der Abisolationsstelle
verdampft, verbrannt oder abgesprengt werden. Somit bleibt keine
Restschicht auf dem elektrischen Leiter zurück, was eine nachfolgende Bearbeitung
des Drahtes, wie z.B. das Löten
oder das Schweißen,
beeinträchtigen würde und
die Dauer des Laserbearbeitungsprozesses verkürzt sich.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
umfasst einen Strahlteiler zum Aufteilen des verwendeten Laserstrahls
und einen Ablenkkopf zum Lenken des Laserstrahles auf verschiedene
Bereiche der Isolationsschicht des Drahtes. Somit kann der Draht
gleichzeitig an verschiedenen Stellen abisoliert werden, was sich
wiederum positiv auf die Prozesszeiten für den Laser auswirkt.
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Vorteilhafterweise
umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung
ein Linsensystem, eine Aperturblende, einen Filter und/oder einen
Spiegel zum Fokussieren und Lenken des Laserstrahls auf Bereiche der
Isolationsschicht an gegenüberliegenden
Seiten des Drahtes. Dadurch wird die Flexibilität der erfindungsgemäßen Vorrichtung
erhöht,
da die Größe des Trennschnittes
bzw. die Größe des Bereichs
der Abisolationsstelle leicht dadurch variiert werden kann, dass
die Aperturblende entsprechend eingestellt wird.
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Vorteilhafterweise
umfasst die Abhebevorrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine rotierende
Bürste,
einen Saugnapf, einen gefederten Keil, eine Druckluftstromvorrichtung
oder eine Vibrationsvorrichtung, was das Abheben der Isolationsschicht
im Bereich der Abisolationsstelle wesentlich vereinfacht und wodurch
die gesamte Isolationsschicht abgehoben werden kann, sodass eine
absolut blanke metallische Oberfläche der elektrischen Leiter,
ohne Restrückstände der
Isolationsschicht, erhalten wird. Dieses mechanische Abheben kann
als direkter Folgeprozess geschehen, kann aber auch vorteilhafterweise
zu einem späteren
Zeitpunkt vollzogen werden, vor allem dann, wenn eine Oxidation des
elektrischen Leiters unbedingt vermieden werden muss.
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Kurze Beschreibung
der Figuren
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Nachfolgend
wird die Erfindung rein beispielhaft anhand der beigefügten Figuren
beschrieben, in denen:
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1 eine schematische Querschnittsansicht
eines Flachbandkabels ist, das mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung
bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens
bearbeitet werden kann;
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2 eine Darstellung eines
Teils einer Vorrichtung gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist, mittels derer die Isolation im Bereich der Abisolationsstelle
abgehoben werden kann; und
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3 eine schematische Darstellung
eines weiteren Teils einer Vorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist, die zum Abisolieren eines Drahtes verwendet werden
kann.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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Obwohl
die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw.
das erfindungsgemäße Verfahren
im Anschluss lediglich im Zusammenhang mit einem Flachbandkabel
beschrieben wird, so können
auch andere isolierte Drähte
mit beliebigem Querschnitt und einer beliebigen Anzahl darin befindlicher
elektrischer Leiter bearbeitet werden. Zudem ist es denkbar, dass
auch Drähte
bzw. Kabel mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren
abisoliert werden, deren aus einem Polymer aufgebaute Isolationsschicht
durch andere, nicht-polymere Materialien verstärkt ist. Es ist auch denkbar,
Glasfaserkabel mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren
abzuisolieren.
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1 ist eine schematische
Querschnittsansicht eines Abschnittes eines Flachbandkabels, die das
Resultat einer Bearbeitung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren
zeigt.
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In 1 ist ein Flachbandkabel 1 dargestellt, das
im Inneren des Kabels drei in Längsrichtung
des Flachbandkabels verlaufende elektrische Leiter 2 aufweist.
Die Anzahl der elektrischen Leiter im Flachbandkabel ist nicht auf
drei elektrische Leiter beschränkt,
sondern die Anzahl kann, entsprechend der jeweiligen Verwendung
des Flachbandkabels, auch mehr oder weniger elektrische Leiter umfassen.
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Die
im Inneren des Flachbandkabels verlaufenden elektrischen Leiter 2 sind
in einer Isolationsschicht 4 eingebettet, die sowohl die
elektrischen Leiter 2 untereinander, als auch diese zur
Außenseite des
Flachbandkabels elektrisch isoliert. Derartige Isolationsbeschichtungen
sind in der Regel aus einem Kunststoff, vorzugsweise aus einem organischen
Polymer, hergestellt.
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Ferner
sind in der 1 drei Abisolationsstellen 6 zu
sehen, die an einer der beiden flachen Seiten des Flachbandkabels
an oberhalb der elektrischen Leiter entsprechenden Stellen vorgesehen sind.
Die Abisolationsstellen 6 sind in der 1 rechteckig dargestellt, können aber
auch jede andere beliebige Form aufweisen. Im Bereich der Abisolationsstellen 6 werden
die jeweiligen elektrischen Leiter 2 freigelegt, wie dies
durch den doppelt schraffierten Bereich 8 der elektrischen
Leiter 2 angedeutet ist.
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Zum
Abnehmen der Isolationsschicht 4 im Bereich der Abisolationsstellen 6 der
elektrischen Leiter 2 wird eine Laserstrahlanordnung verwendet, wie
sie in 3 schematisch
dargestellt ist. Es wird an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass
in 3 lediglich das grundlegende
Prinzip der Laserstrahlanordnung dargestellt ist, und dass eine
derartige Laserstrahlanordnung auf vielfältige Weise modifiziert werden
kann, indem Strahlteiler, entsprechend ausgebildete Linsensysteme,
Filter, Blenden, Spiegelsysteme oder dergleichen zu der in 3 dargestellten Anordnung
zugefügt
werden, um den bzw. die Laserstrahlen entsprechend abzulenken, zu
reflektieren, deren Intensität
zu reduzieren, etc. Ebenso kann über
das Vorsehen entsprechender Reflektionsmittel, wie z.B. einem Spiegel,
der Laserstrahl zusätzlich
auf die in 1 dargestellte
rechte flache Seite des Flachbandkabels umgelenkt werden, um so
gleichzeitig beide flache Seiten des Flachbandkabels an entsprechenden
Stellen abisolieren zu können.
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Im
Folgenden wird kurz die in 3 dargestellte
Laseranordnung beschrieben und im Anschluss wird eine bevorzugte
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
im Zusammenhang mit der Bearbeitung eines Flachbandkabels beschrieben,
um zu dem in 1 gezeigten
Resultat zu gelangen.
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Der
von einem Laser 18 emittierte Laserstrahl 19 wird
mittels einer Aperturblende 16 in seinem Strahldurchmesser
so eingestellt, dass er im Anschluss vollständig auf eine Sammellinse 14 trifft,
so dass die einzelnen auf die Linse auftreffenden, nahezu parallelen
Laserstrahlen auf einen entsprechenden Punkt auf der in 3 gezeigten rechten flachen Seite
des Flachbandkabels 1 fokussiert werden. Der Laserstrahl 19 wird
anschließend,
entweder durch entsprechende Bewegung des Lasers 18 oder
der Aperturblende 16 bzw. der Sammelinse 14 entlang einer
Bahn auf der zu bearbeitenden flachen Seite des Flachbandkabels
bewegt, so dass der Umriss der Abisolationsstelle 6 dadurch
abgefahren wird. Es ist auch denkbar, eine entsprechende Maske zu
verwenden, deren Maskenstruktur, wie z.B. eine Rechteckform, nun
auf die Isolationsschicht abgebildet wird.
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Der
Lasertyp und die Einstellparameter des Lasers, wie z.B. Wellenlänge, Energieleistung,
womöglich
auch Pulsfrequenz und Pulsdauer bei gepulstem Laser-Betrieb, sind
so gewählt,
dass die Isolation entlang des Umrisses der Abisolationsstelle 6 thermisch
derart bearbeitet wird, dass sie verdampft bzw. verbrennt. Durch
die thermische Bearbeitung der Isolationsschicht wird ein Trennschnitt
in der Isolationsschicht entlang des Umrisses der Abisolationsstelle
erzeugt.
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Vorzugsweise
wird hierfür
ein CO2-Laser mit einer Leistung von 50
bis 300 W verwendet. Die Laserwellenlänge liegt hierbei vorteilhafterweise
im Bereich von ungefähr
10 μm. Es
kann aber auch ein CO-Laser mit einer Wellenlänge von etwa 20 μm verwendet
werden. Es ist auch denkbar, einen Festkörperlaser, wie z.B. eine Laserdiode
oder eine Anordnung von Laserdioden, zu verwenden. Die Wellenlänge des
Lasers sollte jedoch auf das Material der zu schneidenden Isolationsschicht
abgestimmt sein. So sollte das Material der Isolationsschicht ein
starkes Absorptionsvermögen
im Wellenlängenbereich des
verwendeten Lasers zeigen. Die Laseranordnung kann z.B. ein optisches
System mit einer einzelnen, doppelten oder rotierenden Strahlkonfiguration aufweisen.
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Mittels
des Laserstrahls wird entlang des Umrisses der Abisolationsstelle 6 ein
Trennschnitt in Form eines Rahmens in der Isolationsschicht durchgeführt. Die
Laserleistung ist dabei so gewählt,
dass die Isolation so stark eingeschnitten wird, dass sich die innerhalb
des Rahmens liegende Isolationsschicht im Anschluss leicht abheben
lässt.
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Das
Abheben kann entweder sofort, z.B. mit Hilfe der in 2 dargestellten Anordnung, oder unmittelbar
vor einem Folgeprozess, wie z.B. dem Löten bzw. Schweißen der
darunterliegenden, freigelegten elektrischen Leiter, erfolgen. Ein
Abheben des innerhalb des Trennschnittes der Abisolationsstelle 6 liegenden
Isolationsmaterials unmittelbar vor dem weiterverarbeitenden Prozess
wird dann bevorzugt, wenn eine Oxidation des elektrischen Leiters 2 vermieden
werden muss.
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Zum
Abheben der Isolationsschicht wird zunächst das Flachbandkabel vorteilhafterweise
um eine Welle 10 gelegt, wodurch das Flachbandkabel eine
der Welle 10 entsprechenden Krümmung annimmt. Sodann wird
oberhalb der durch die gestrichelte Linie in 2 angedeuteten Abisolationsstelle eine
Abhebevorrichtung, wie z.B. eine Messingdrahtbürste 12, positioniert.
Aufgrund der Krümmung
des Flachbandkabels wird eine bessere Angriffsfläche für die im Bereich der Abisolationsstelle 6 liegenden
Isolationsschicht gewährleistet.
Durch Antreiben der Messingdrahtbürste 12, z.B. mittels
einer Minibohrmaschine, wird die Bürste in Drehung versetzt und sodann
in Kontakt mit dem innerhalb des Trennschnittes der Abisolationsstelle 6 liegenden
Isolationsmaterials gebracht, wodurch die Isolationsschicht von
der Leiterbahn abgehoben wird. Die Breite der Abhebevorrichtung
kann der in Querrichtung des Flachbandkabels messenden Breite der
Abisolationsstelle entsprechend gewählt werden, so dass gezielt
nur die Isolationsschicht innerhalb des Trennschnittes einer Abisolationsstelle 6 abgehoben
wird und die beiden Isolationsschichten im Bereich der beiden anderen
Abisolationsstellen auf dem Flachbandkabel verbleiben.
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Die
Breite der Abhebevorrichtung, hier die Breite der Messingdrahtbürste, kann
allerdings auch so gewählt
werden, dass sämtliche
Isolationsschichten im Bereich aller in 1 dargestellten drei Abisolationsstellen
gleichzeitig von dem Flachbandkabel abgehoben werden können.
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Die
in 2 dargestellte Messingdrahtbürste 12 ist
lediglich ein Beispiel für
eine Abhebevorrichtung. So kann des Weiteren z.B. ein Saugnapf,
ein gefederter Keil, ein Druckluftstromvorrichtung oder eine entsprechend
ausgebildete Vibrationsvorrichtung verwendet werden, um das Isolationsmaterial von
dem Flachbandkabel innerhalb des Trennschnittes der jeweiligen Abisolationsstellen
abheben zu können.
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Der
in 3 dargestellte Laser
kann mit einem schreibenden Galvo- oder Scankopf versehen sein oder
es kann ein Maskenlaser mit festem Abisolierrahmen verwendet werden.
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Es
sind auch Laseranordnungen denkbar, bei denen der Laser um den abzuisolierenden
Draht bzw. das Flachbandkabel rotiert wird, sowohl in Längsrichtung
des Drahtes als auch in einer Ebene senkrecht dazu. Ebenso können der
Laser und der abzuisolierende Draht relativ zueinander bewegt werden.
Der Draht kann manuell, halbautomatisch oder vollautomatisch in
den Strahlengang des Lasers gebracht werden.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ist ebenso dazu geeignet, einen auf einer Platine bereits befestigten
Draht an entsprechenden Stellen abzuisolieren.
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Der
wesentliche Aspekt der Erfindung liegt darin, dass mittels eines
von einem Laser emittierten Laserstrahls ein Trennschnitt entlang
des Umrisses einer Abisolationsstelle eines Isolierdrahtes, insbesondere
eines Flachbandkabels, vorgenommen wird, wobei durch geeignete Einstellung
der Laserparameter der Trennschnitt derartig tief in die Isolationsschicht
des Drahtes reicht, dass anschließend die innerhalb des Trennschnittes
der Abisolationsstelle befindliche Isolationsschicht mittels einer
relativ einfach ausgebildeten Abhebevorrichtung abgehoben werden
kann, ohne dass nach dem Abheben der Isolationsschicht eine Restschicht
auf dem nun freigelegten elektrischen Leiter zurückbleibt.
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Die
Möglichkeit,
die Isolationsschicht sofort oder unmittelbar vor einem darauffolgenden
Weiterverarbeitungsprozess abheben bzw. entfernen zu können, verhindert
eine Oxidation der elektrischen Leiter in solchen Fällen, bei
denen diese unbedingt vermieden werden muss.
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Ebenso
verbleibt keine Restschicht nach Abheben der Isolationsschicht auf
dem elektrischen Leiter, was eine im Anschluss erfolgende Weiterverarbeitung
des Drahtes negativ beeinträchtigen
würde, da
nicht die gesamte Isolationsschicht im Bereich einer Abisolationsstelle
verbrannt bzw. geschmolzen wird, sondern lediglich mit Hilfe des
Laserstrahls ein Trennschnitt durch die Isolationsschicht vorgenommen
wird, und zwar bis zu einer Tiefe, so dass die Isolationsschicht
innerhalb des Trennschnittes im Anschluss, vorteilhafterweise auf
mechanische Weise, auf einfach Weise abgehoben werden kann.