WO2020208011A1 - Anlage zur herstellung elektrischer kontaktelemente mit selektiv veredelten elektrischen kontaktflächen - Google Patents

Anlage zur herstellung elektrischer kontaktelemente mit selektiv veredelten elektrischen kontaktflächen Download PDF

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WO2020208011A1
WO2020208011A1 PCT/EP2020/059882 EP2020059882W WO2020208011A1 WO 2020208011 A1 WO2020208011 A1 WO 2020208011A1 EP 2020059882 W EP2020059882 W EP 2020059882W WO 2020208011 A1 WO2020208011 A1 WO 2020208011A1
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contact surfaces
laser
metallic
drying
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PCT/EP2020/059882
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Nicole Ritschel
Florian Fuchs
Christian Vedder
Johannes Henrich SCHLEIFENBAUM
Timo Weber
Ante Kurtovic
Patrick GREITEMANN
Niko REIMAN
Christoph Schäfer
Norbert Muche
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • H01R43/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining, or repairing of line connectors or current collectors or for joining electric conductors
    • H01R43/16—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining, or repairing of line connectors or current collectors or for joining electric conductors for manufacturing contact members, e.g. by punching and by bending

Definitions

  • the present invention relates to a system for producing electrical contact elements with selectively refined electrical contact surfaces, in which a number of production devices for producing the electrical contact elements are arranged in series in a production line.
  • Transition conductivities on electrical contact surfaces and also to reduce the susceptibility to corrosion can be the electrical contact surfaces with a
  • Precious metal are refined.
  • the finishing takes place by applying a suitable noble metal layer to the contact surfaces, for example by means of electroplating, PVD or CVD processes.
  • a suitable noble metal layer to the contact surfaces, for example by means of electroplating, PVD or CVD processes.
  • the production of the electrical contact elements has hitherto been carried out in several separate production steps. These are divided into forming and separating processes for manufacturing the base body of the contact element and into chemical, electrochemical or physical coating processes
  • microparticulate gold layers are influenced by what is known as the Balling effect when they are melted by means of continuous laser radiation.
  • the gold contracts to form spheres due to the surface tension, which prevents the formation of a homogeneous gold layer. Also a liability between the
  • pages 81 to 94 is an example of a method for coating a metallic
  • the strip material is passed through a chemical cleaning bath.
  • the band is freed from punching oil with the help of carbon-based solvents.
  • the entire material is passed through another bath in order to reduce the wetting properties of the surface. A fluorine- or silicone-based agent is used for this.
  • the coating is then dried using a hot wire heater.
  • Oxidation layers are removed locally on the contact surfaces to be coated with the noble metal by selective laser treatment and the surface is activated.
  • the coating with the liquid-repellent agent is intended to prevent subsequent wetting of the strip material with the dispersion or ink used during printing outside the contact areas.
  • the selective laser treatment for local removal of the layer and activation of the surface is intended to improve the adhesion of the Allow dispersion or ink on the contact surfaces.
  • a noble metal nanoparticle dispersion is then deposited on the contact surfaces in a printing device with the aid of an inkjet printer or a dispenser.
  • the applied layer is in one
  • Drying device dried with the help of an infrared heater. Part of the solvent contained in the dispersion / ink is intended to be evaporated.
  • an electric oven can also be used.
  • the printed layers are sintered in a laser processing device with a laser sintering process.
  • the strip material is then rolled up again and can be used for product completion
  • the object of the present invention is to provide a system for producing electrical
  • Manufacturing facilities are integrated in a common production line, which enables a high cycle rate and with which a firm, material connection of the noble metal layer applied for contact finishing with the contact surface is achieved.
  • Production line forms a forming device
  • a punching and bending device by means of which the supplied metallic strip material is mechanically brought into a shape suitable for the formation of the contact elements.
  • This can already be the final shape or a not yet final shape, if the contact surfaces are in the
  • a cleaning device arranged following the shaping device is designed in such a way that it removes oil residues on the contact surfaces which have reached the contact surfaces as a result of the previous shaping.
  • a printing process takes place in a printing device, in which a layer with microparticles and / or nanoparticles of a noble metal, for example as a paste or as a sol-gel material, is selectively applied to the contact surfaces. The applied layer is then freed from the solvent or dried in a subsequent drying device. After drying, a
  • Laser processing device at least one
  • the printing device is designed as a device for pad printing which is adapted to the high cycle rates of the production line.
  • the device for tampon printing several tampons are preferably arranged on a circumferential guide in such a way that tampon printing and material are taken up from a cliché, preferably also, with just one stroke or rotary movement
  • a device for pad printing designed in this way meets the requirements for high cycle rates of, for example,> 50 components / minute.
  • the conventional design of devices for pad printing in which only one pad is used, which alternately picks up a paste with the noble metal and prints it, are preferred in this
  • the material can be taken up by a pad and the
  • Filling of a cliché can also be carried out at the same time.
  • the printing process can also be quickly adapted to changed geometries of the contact surfaces by exchanging the cliché plate.
  • the use of a continuous and a pulsed laser in the laser processing device enables the applied layer of the microparticles and / or nanoparticles to be sintered and then the sintered layer to be melted.
  • the previous sintering of the layer avoids the problems of balling that often occur during subsequent melting, while the complete melting then leads to a homogeneous layer and a metallurgical bond of this layer with the material of the
  • the proposed system thus enables electrical contact elements with refined electrical contact surfaces to be produced in-line in one
  • the pad printing process can be used to print microparticulate pastes, which are generally cheaper to produce than nanoparticulate pastes / inks.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an exemplary production line of the proposed system with the individual production facilities;
  • Fig. 2 is a schematic representation of an exemplary, usable in the system drying device in cross section;
  • Fig. 3 is a schematic representation of an example adhere, usable in the system pad printing device.
  • the production line of the proposed system represents an advantageous combination of production facilities, all of which can be integrated on a common machine body.
  • the system has a modular structure, whereby all production facilities or
  • Contact element are. Cleaning, printing, drying and functionalization processes can be adapted directly to changed component geometries. An adjustment for the printing process is possible by exchanging the cliché plate.
  • the component design is adapted by retrofitting the punching and bending device, which is preferably modular in this case.
  • a punching and bending process is used to reshape the metallic strip material.
  • This stamping and bending process must be designed in such a way that, on the one hand, the forming processes on the contact surfaces are completed before the process steps of cleaning, printing and functionalization. On the other hand, there must also be sufficient accessibility to the contact surfaces for these subsequent process steps
  • Figure 1 shows this schematically an exemplary representation of the production line of such a system.
  • the first punching and bending device 2 Via a roll 1, which does not belong to the system and on which the metallic strip material is wound, the first punching and bending device 2 is the
  • the strip material 3 can, for example, have dimensions of 10 to 100 mm in width, 0.1 to 2.0 mm in thickness and 100 to 500 m in length and be formed from nickel-plated copper (2 to 4 mpi thickness of the nickel layer).
  • the tape material 3 preferably has a series of holes for tape movement and positioning.
  • the punching and bending device 2 used can be formed from the strip material at> 50 contact elements / minute. This first transformation takes place in such a way that the
  • this oil film is selectively removed from the contact surfaces 5 by means of laser radiation, as indicated in FIG. 1 with the laser 7.
  • This can for example be a pulsed laser with a wavelength of 1064 nm. Without the use of compressed air pre-cleaning, the laser cleaning process would be significantly more difficult due to the inhomogeneous distribution of the oil film.
  • a quick sequence of cleaning and subsequent printing processes prevents the oil film from being pulled back onto the selectively cleaned surface.
  • Cleaning also enables the cleaning process to be carried out in an energy-efficient manner and corresponds to the requirements placed on the process times for a high cycle rate.
  • the use of such a physical cleaning process replaces chemical cleaning processes. Expenses for the storage, handling and disposal of cleaning agents
  • Pad printing device 8 is formed.
  • this pad printing device 8 several tampons 9 are on a circumferential guide 10, as shown schematically in FIG. FIG. 2 also shows the metallic band 3 running through the pad printing device 8 in a cross section perpendicular to the transport direction, which in this example is guided in a guide rail 11.
  • the Tampondruckein device 8 also has a cleaning device 12 for cleaning the tampon surfaces, in the present example an adhesive tape stretched between a winding and an unwinding roller, as well as the cliché 13 designed to receive the layer material.
  • the cliché 13 is filled with a paste 14 with microparticulate noble metal.
  • the direction of movement 15 of the guide 10 with the tampons 9 is indicated by an arrow.
  • a simple lifting movement of the guide as shown by the double arrows in FIG. 2, allows the paste to be picked up, the pad cleaning and the pad printing to take place simultaneously, as can be seen from FIG.
  • pad printing a layer with a thickness in the range between 1 and 50 mpi is applied to the contact surfaces.
  • the clichés can also be filled up at the same time as the paste is picked up by a tampon 9.
  • the print job can be quickly adapted to changed component or contact surface geometries.
  • the printed contact surface must be exposed to a temperature for a period of time that is equal to the
  • the metal guide 16 is selected from a material such as copper, for example, which has a high thermal conductivity and also a sufficiently low reflection for IR radiation
  • the good thermal conduction of the metal guide 16 means that the printed contact surfaces are exposed to the temperature necessary for drying quickly and independently of the optical properties.
  • the metal guide 16 is also such designed (double C-profile) that buckling of the strip material 3 is prevented by the advance.
  • a heating plate can also be used to heat the metal guide 16 or the strip material can be used directly via a
  • heating elements e.g. heating wire
  • the system reacts very tolerantly to fluctuations in enthalpy flow as a result of variable clock rates. Since the metal guide 16 and the strip material 3 are in thermal equilibrium after a short time due to the high heating rate
  • a laser system can also be used, as shown schematically with the laser 20 of FIG.
  • Drying device 19 is also indicated in FIG. A laser emitting in the UV, VIS or NIR can be used as the laser. When using a laser, the drying times are between 0.01 and 10 s, and when using an IR radiator it is around 20 to 60 s.
  • the drying process is followed by the laser functionalization process in the laser processing device 21.
  • the printed and the dried contact surface is treated first with pulsed and then with cw laser radiation.
  • FIG. 1 only one laser 22 is shown schematically here
  • both a pulsed laser and a cw laser are used. Both lasers preferably emit laser radiation with the same
  • Wavelength for example with a wavelength of 1064 to 1070 nm.
  • the pulsed laser radiation is first used to sinter the applied
  • the sintered layer is then completely melted with the cw laser radiation in order to produce a homogeneous noble metal layer which is firmly bonded to the contact surface by melting metallurgy
  • the contact elements are first bent in a further stamping and bending device 23 and then separated.
  • a correspondingly isolated completely formed contact element 4 is shown schematically in FIG. 1 in cross section below the punching and bending device 23.
  • the individual production facilities of the production line shown in Figure 1 can be on a common

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Abstract

Bei einer Anlage zur Herstellung elektrischer Kontaktelemente (4) mit selektiv veredelten elektrischen Kontaktflächen (5) sind wenigstens eine Umformeinrichtung (2), eine Reinigungseinrichtung (6), eine Tampondruckeinrichtung (8), eine Trocknungseinrichtung (19) und eine Laserbearbeitungseinrichtung (21) zur Funktionalisierung einer in der Druckeinrichtung (8) auf die Kontaktflächen (5) aufgebrachten Edelmetallschicht in einer Fertigungslinie in Reihe angeordnet und können auf einem gemeinsamen Maschinenkörper integriert werden. Die Laserbearbeitungseinrichtung (21) führt dabei zunächst eine Sinterung der aufgebrachten Schicht durch und schmilzt die gesinterte Schicht anschließend vollständig auf, um eine homogene Schicht aus dem Edelmetall zu bilden und mit der Kontaktfläche (5) zu verschmelzen. Die Tampondruckeinrichtung (8) ist an die hohen Taktraten der Fertigungslinie angepasst. Die vorgeschlagene Anlage lässt sich kompakt ausführen und ermöglicht die Herstellung der Kontaktelemente (4) mit hoher Taktrate bei einer zuverlässigen Verbindung der Edelmetallschicht mit den Kontaktflächen (5).

Description

Anlage zur Herstellung elektrischer Kontaktelemente mit selektiv veredelten elektrischen Kontaktflächen
Techni sches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zur Herstellung elektrischer Kontaktelemente mit selektiv veredelten elektrischen Kontaktflächen, bei der in einer Fertigungslinie mehrere Fertigungseinrichtungen für die Herstellung der elektrischen Kontaktelemente in Reihe angeordnet sind.
Zur Erhöhung der elektrischen Kontakt- und
Übergangsleitfähigkeiten an elektrischen Kontaktflächen und auch zur Verminderung der Korrosionsanfälligkeit können die elektrischen Kontaktflächen mit einem
Edelmetall veredelt werden. Die Veredelung erfolgt durch Aufbringen einer geeigneten Edelmetallschicht auf die Kontaktflächen, bspw. mittels Galvanik, PVD- oder CVD-Verfahren . Die Herstellung der elektrischen Kontaktelemente erfolgt dabei bisher in mehreren voneinander getrennten Fertigungsschritten. Diese gliedern sich in Umform- und Trennverfahren zur Herstellung des Grundkörpers des Kontaktelementes und in chemische, elektrochemische oder physikalische Beschichtungsverfahren zur
Kontaktveredelung. Diese einzelnen Fertigungsschritte sind nicht oder nur unter hohem Aufwand in eine
gemeinsame Fertigungslinie integrierbar. Die Gründe dafür liegen neben den Anforderungen der Beschichtungs- prozesse an Prozesszeiten und Bauraum auch an deren Prozessanforderungen, wie Vakuumkammern und vorge lagerte Reinigungsschritte. Eine Inline-Beschichtung der Kontaktelemente mit Edelmetallen ist daher bisher nicht oder nur eingeschränkt möglich. Die daraus resultierende Unterbrechung der Fertigungslinie durch zusätzliches Aus- bzw. Einschleusen der Bauteile führt zu einem erhöhten Produktionsaufwand.
Stand der Technik
Ein Problem bei der Kontaktveredelung stellt der häufig hohe Verbrauch an Edelmetallen, der Einsatz großer Mengen an Chemikalien oder auch - für PVD- Beschichtungen - der Einsatz energieintensiver
Vakuumprozesse dar. Zur Vermeidung dieser Problematik ist es bekannt, mikro- oder nanopartikuläre Schichten aus dem Edelmetall selektiv auf die elektrischen
Kontaktflächen aufzubringen und anschließend durch Bearbeitung mit Laserstrahlung zu sintern oder zu schmelzen. Allerdings werden bspw. mikropartikuläre Goldschichten beim Aufschmelzen mittels kontinuier licher Laserstrahlung durch den sog. Balling-Effekt beeinflusst. Das Gold zieht sich im flüssigen Zustand durch die Oberflächenspannung zu Kugeln zusammen, wodurch die Ausbildung einer homogenen Goldschicht verhindert wird. Auch eine Haftung zwischen der
Kontaktfläche und dem erstarrten Gold kommt durch diesen Effekt nicht in ausreichendem Maße zustande. Bei der laserbasierten Sinterung mikropartikulärer Gold schichten mit gepulster Laserstrahlung entsteht
wiederum eine nur geringe Haftung zwischen
Kontaktfläche und Goldschicht.
Aus M. Khan et al . , „Selective Laser Melting (SLM) of Gold (Au)", Rapid Prototyping Journal, Vol. 18,
2012, Seiten 81 bis 94 ist hierzu beispielhaft ein Verfahren zur Beschichtung einer metallischen
Oberfläche mit Gold bekannt, bei dem eine Schicht mit Mikropartikeln aus Gold auf die Oberfläche aufgebracht und mit kontinuierlicher Laserstrahlung vollständig aufgeschmolzen wird, um die Oberfläche mit dem Gold zu beschichten. Bei diesem Verfahren wurde versucht, durch Anpassung der Scan-Geschwindigkeit und Leistung des Laserstrahls den Balling-Effekt zu minimieren.
Aus der US 2015/0093516 Al ist eine Anlage zur Herstellung kontaktveredelter Kontaktelemente bekannt, die ebenfalls Laserstrahlung für die Funktionalisierung einer aufgebrachten Edelmetallschicht nutzt. Bei dieser Druckschrift wird metallisches Bandmaterial von einer Trommel abgewickelt und über eine Umlenkwalze einer Stanz- und Biegeeinrichtung zugeführt, in der das metallische Bandmaterial mechanisch in eine für die Bildung der Kontaktelemente geeignete Form gebracht wird. Der nötige Vorbehandlungsprozess für die
Weiterverarbeitung des Bandmaterials unterteilt sich in drei Schritte. Im ersten Schritt wird das Bandmaterial durch ein chemisches Reinigungsbad geführt. Dabei wird das Band mit Hilfe von kohlenstoffbasierten Lösungs mitteln von Stanzöl befreit. Im zweiten Schritt wird das gesamte Material durch ein weiteres Bad geführt, um die Benetzungseigenschaften der Oberfläche herabzu setzen. Dazu wird ein fluorin- oder silikonbasiertes Mittel eingesetzt. Die Beschichtung wird anschließend mit Hilfe eines Heißdrahtheizers getrocknet.
Abschließend werden die Beschichtung sowie native
Oxidationsschichten lokal an den mit dem Edelmetall zu beschichtenden Kontaktflächen durch eine selektive Laserbehandlung entfernt und die Oberfläche aktiviert. Die Beschichtung mit dem flüssigkeitsabweisenden Mittel soll eine anschließende Benetzung des Bandmaterials mit der beim Druck eingesetzten Dispersion oder Tinte außerhalb der Kontaktflächen verhindern. Die selektive Laserbehandlung zur lokalen Entfernung der Schicht und Aktivierung der Oberfläche soll die Haftung der Dispersion oder Tinte an den Kontaktflächen ermög lichen. Eine Edelmetall-Nanopartikel-Dispersion wird dann in einer Druckeinrichtung mit Hilfe eines Inkjet- Druckers oder eines Dispensers auf den Kontaktflächen deponiert. Die applizierte Schicht wird in einer
Trocknungseinrichtung mit Hilfe eines Infrarotstrahlers getrocknet. Dabei soll ein Teil des in der Dispersion/ Tinte enthaltenen Lösungsmittels verdampft werden.
Alternativ kann auch ein Elektroofen genutzt werden. Anschließend werden die gedruckten Schichten in einer Laserbearbeitungseinrichtung mit einem Lasersinter prozess versintert. Das Bandmaterial wird dann wieder aufgerollt und kann zur Produktfertigstellung
transportiert werden.
Eine Herausforderung stellt bei derartigen Anlagen die Kopplung der einzelnen Prozessschritte aufgrund der unterschiedlichen und teilweise konkurrierenden
Anforderungen an die Prozesszeiten dar. Die Prozess zeiten für die einzelnen Prozessschritte müssen
ausreichend kurz gestaltet werden, um eine hohe
Taktrate für die gesamte Fertigungslinie zu erreichen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Anlage zur Herstellung elektrischer
Kontaktelemente mit selektiv veredelten elektrischen Kontaktflächen anzugeben, bei der alle für die
Fertigung erforderlichen Fertigungseinrichtungen in einer gemeinsamen Fertigungslinie integriert sind, die eine hohe Taktrate ermöglicht und mit der eine feste, Stoffschlüssige Verbindung der zur Kontaktveredelung aufgebrachten Edelmetallschicht mit der Kontaktfläche erreicht wird.
Darstellung der Erfindung Die Aufgabe wird mit der Anlage gemäß
Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Anlage sind Gegenstand der abhängigen Patent ansprüche oder lassen sich der nachfolgenden
Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
Bei der vorgeschlagenen Anlage sind in einer
Fertigungslinie wenigstens die im Folgenden
beschriebenen Fertigungseinrichtungen in Reihe
angeordnet bzw. integriert. Den Anfang der
Fertigungslinie bildet eine Umformeinrichtung,
vorzugsweise eine Stanz-Biegeeinrichtung, durch die zugeführtes metallisches Bandmaterial mechanisch in eine für die Bildung der Kontaktelemente geeignete Form gebracht wird. Es kann sich hierbei bereits um die endgültige Form oder auch um eine noch nicht endgültige Form handeln, falls die Kontaktflächen in der
endgültigen Form nicht ausreichend für eine Kontakt veredelung zugänglich sind. Im letzteren Fall ist dann am Ende der Fertigungslinie zusätzlich eine weitere Umformeinrichtung angeordnet, mit der die Kontakt elemente dann in die endgültige Form gebracht werden. Eine im Anschluss an die Umformeinrichtung angeordnete Reinigungseinrichtung ist so ausgebildet, dass sie Ölrückstände an den Kontaktflächen entfernt, die durch die vorangegangene Umformung auf die Kontaktflächen gelangt sind. Nach der Reinigung erfolgt ein Druck prozess in einer Druckeinrichtung, bei dem eine Schicht mit Mikro- und/oder Nanopartikeln eines Edelmetalls, beispielsweise als Paste oder als Sol-Gel-Material, selektiv auf die Kontaktflächen aufgebracht wird. In einer anschließenden Trocknungseinrichtung wird die aufgebrachte Schicht dann vom Lösungsmittel befreit bzw. getrocknet. Nach der Trocknung erfolgt eine
Funktionalisierung der aufgebrachten Schicht in einer Laserbearbeitungseinrichtung. Die Anlage zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass zum einen die
Laserbearbeitungseinrichtung wenigstens einen
kontinuierliche Laserstrahlung und wenigstens einen gepulste Laserstrahlung emittierenden Laser aufweist und so ausgebildet ist, dass die auf den Kontaktflächen aufgebrachte mikro- und/oder nanopartikuläre Schicht zunächst mit gepulster Laserstrahlung gesintert und die gesinterte Schicht anschließend mit kontinuierlicher Laserstrahlung vollständig aufgeschmolzen wird, um eine homogene Schicht aus dem Edelmetall zu bilden und mit der Kontaktfläche zu verschmelzen. Zum anderen ist die Druckeinrichtung als eine Einrichtung zum Tampondruck ausgebildet, die an die hohen Taktraten der Fertigungs linie angepasst ist. Vorzugsweise sind hierzu bei der Einrichtung zum Tampondruck mehrere Tampons so auf einer umlaufenden Führung angeordnet sind, dass mit nur einer Hub- oder Drehbewegung Tampondruck und Material aufnahme aus einem Klischee, vorzugsweise auch
Tamponreinigung, für unterschiedliche Tampons
gleichzeitig erfolgen kann. Es kann sich bei der
Führung beispielsweise um eine um zwei Rollen
umlaufende bandförmige Führung oder auch um eine kreisförmige Platte (oder ein Rad) handeln, die sich um ihre Symmetrie- oder Mittelpunktsachse dreht.
Durch eine derart ausgebildete Einrichtung zum Tampondruck werden die Anforderungen an hohe Taktraten von bspw. > 50 Bauteile/Minute erfüllt. Im Gegensatz zur herkömmlichen Ausgestaltung von Einrichtungen zum Tampondruck, bei welchen nur ein Tampon eingesetzt wird, der abwechselnd eine Paste mit dem Edelmetall aufnimmt und druckt, sind in dieser bevorzugten
Ausgestaltung mehrere Tampons derart auf einer
umlaufenden Führung angeordnet, dass Druck, Tampon- reinigung und Materialaufnahme synchron auf jeweils einem Tampon stattfinden. Wird zusätzlich eine Klischeeplatte mit mehreren bspw. kreisförmig
angeordneten Klischeevertiefungen eingesetzt, so können die Materialaufnahme durch einen Tampon und die
Befüllung eines Klischees ebenfalls gleichzeitig durchgeführt werden. Über einen Austausch der Klischee platte lässt sich das Druckverfahren auch schnell an veränderte Geometrien der Kontaktflächen anpassen.
Die Nutzung eines kontinuierlichen und eines gepulsten Lasers in der Laserbearbeitungseinrichtung ermöglicht eine Sinterung der aufgebrachten Schicht aus den Mikro- und/oder Nanopartikeln und anschließend ein Aufschmelzen der gesinterten Schicht. Die vorangehende Sinterung der Schicht vermeidet die beim anschließenden Aufschmelzen häufig auftretenden Probleme des Ballings, während das vollständige Aufschmelzen dann zu einer homogenen Schicht und zu einem schmelzmetallurgischen Verbinden dieser Schicht mit dem Material der
Kontaktfläche führt. Es wird damit eine zuverlässige und feste Verbindung der Edelmetallschicht mit den Kontaktflächen erreicht.
Die vorgeschlagene Anlage ermöglicht somit die Inline-Herstellung elektrischer Kontaktelemente mit veredelten elektrischen Kontaktflächen in einer
einzigen Fertigungslinie mit hoher Taktrate, wobei eine zuverlässige Verbindung der Veredelungsschichten mit den Kontaktflächen erreicht wird. Die Herstellung der Kontaktelemente kann damit ohne Unterbrechung der
Fertigungslinie erfolgen. Durch die modulare Bauweise wird die Integration aller Systemkomponenten bzw.
Fertigungseinrichtungen auf einem gemeinsamen
Maschinenkörper und die Ansteuerung und Prozess
kontrolle über ein zentrales Steuerungssystem
ermöglicht. Der Prozess zum Auftrag der Edelmetall schicht ist in die Anlage integriert. Damit wird die Fertigungslinie geschlossen und ein Ausschleusen des Materials für konventionelle Beschichtungsprozesse obsolet. Das genutzte Tampondruckverfahren bietet im Gegensatz zu alternativen Verfahren wie dem Dispens- druck die Möglichkeit, auch komplexe Druckfeld
geometrien durch ein entsprechendes Klischee mit nur einer Hubbewegung zu bedrucken. Dies ist eine
Voraussetzung, um hohe Taktraten umzusetzen. Durch eine Anpassung der Klischeeplatte kann schnell auf
veränderte Anforderungen des Druckmusters eingegangen werden. Des Weiteren lassen sich mit dem Tampondruck verfahren mikropartikuläre Pasten verdrucken, welche in der Herstellung im Allgemeinen kostengünstiger sind als nanopartikuläre Pasten/Tinten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorgeschlagene Anlage wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den
Zeichnungen nochmals näher beschrieben. Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer beispiel haften Fertigungslinie der vorgeschlagenen Anlage mit den einzelnen Fertigungsein richtungen;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer beispiel haften, in der Anlage einsetzbaren Trocknungs einrichtung im Querschnitt; und
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer beispiel haften, in der Anlage einsetzbaren Tampon druckeinrichtung .
Wege zur Ausführung der Erfindung Das im Folgenden beschriebene Beispiel einer
Fertigungslinie der vorgeschlagenen Anlage stellt eine vorteilhafte Kombination von Fertigungseinrichtungen dar, die alle auf einem gemeinsamen Maschinenkörper integriert werden können. Die Anlage ist modular aufgebaut, wobei alle Fertigungseinrichtungen bzw.
damit durchgeführten Fertigungsprozesse hochflexibel hinsichtlich der geometrischen Gestaltung des
Kontaktelements sind. Reinigungs-, Druck-, Trocknungs und Funktionalisierungsprozesse können unmittelbar an veränderte Bauteilgeometrien angepasst werden. Für den Druckprozess ist eine Anpassung über den Austausch der Klischeeplatte möglich. Die Anpassung des Bauteil designs erfolgt durch Umrüstung der für diesen Fall vorzugsweise modular aufgebauten Stanz-Biege- einrichtung .
In der in diesem Beispiel beschriebenen Anlage wird ein Stanz-Biegeprozess für die Umformung des metallischen Bandmaterials eingesetzt. Dieser Stanz- Biegeprozess muss so gestaltet werden, dass zum einen die Umformungsprozesse an den Kontaktflächen vor den Prozessschritten der Reinigung, des Drucks und der Funktionalisierung abgeschlossen sind. Zum anderen muss auch eine ausreichende Zugänglichkeit der Kontakt flächen für diese nachfolgenden Prozessschritte
gewährleistet werden. Dies kann eine Aufteilung des Stanz-Biegeprozesses in mehrere Stufen erforderlich machen, wie dies im vorliegenden Beispiel dargestellt wird. Die zur Herstellung elektrischer Kontaktelemente mit schwer zugänglichen Kontaktflächen erforderliche Aufteilung des Stanz-Biegeprozesses wird durch einen Maschinenkörper umgesetzt, der - durch den Einsatz servorgetriebener Stanz-Biegeeinheiten - die
mechanische Kopplung der einzelnen Umform- und
Trennschritte aufhebt. Damit kann die Formgebung der Kontaktfläche abgeschlossen werden, bevor die Kontakt fläche gereinigt, bedruckt, getrocknet und funktionali- siert wird. Anschließend kann dann auf dem gleichen Maschinenkörper nach Durchführung der letztgenannten Prozessschritte zur Kontaktveredelung ein weiterer Umform- und Trennschritt ausgeführt werden, um das Kontaktelement fertigzustellen. Damit ist eine Voraus setzung für die Inline-Herstellung von elektrischen Kontaktelementen mit schwer zugänglichen selektiv veredelten Kontaktflächen erfüllt.
Figur 1 zeigt hierzu schematisch eine beispiel hafte Darstellung der Fertigungslinie einer derartigen Anlage. Über eine nicht zur Anlage gehörende Rolle 1, auf der das metallische Bandmaterial aufgewickelt ist, wird der ersten Stanz-Biegeeinrichtung 2 das
metallische Bandmaterial 3 zugeführt. Das Bandmaterial 3 kann beispielsweise Abmessungen von 10 bis 100 mm Breite, 0,1 bis 2,0 mm Dicke und 100 bis 500 m Länge aufweisen und aus vernickeltem Kupfer (2 bis 4 mpi Dicke der Nickelschicht) gebildet sein. An den Seiten weist das Bandmaterial 3 vorzugsweise eine Reihe Löcher zur Bandbewegung und Positionierung auf. Mit der
eingesetzten Stanz-Biegeeinrichtung 2 lassen sich > 50 Kontaktelemente/Minute aus dem Bandmaterial formen. Diese erste Umformung erfolgt derart, dass die
Kontaktflächen für die anschließende Veredelung gut zugänglich sind, die Kontaktelemente jedoch noch nicht ihre endgültige Form haben. Unterhalb der Stanz- Biegeeinrichtung 2 sind in der Figur 1 beispielhaft entsprechend nach dem Stanz-Biegeprozess geformte
Kontaktelemente 4 mit ihren Kontaktflächen 5
dargestellt .
Die Reinigung der Kontaktflächen 5 für den
anschließenden Druckprozess wird in einer in Fig. 1 schematisch angedeuteten Reinigungseinrichtung 6 durchgeführt. Diese Reinigung erfolgt in diesem
Beispiel mittels eines druckluftunterstützten,
laserbasierten Verfahrens ohne den Einsatz chemischer Reinigungsmittel. Mittels Druckluft, insbesondere in Form einer Luftklinge, wird hierbei ein Großteil des auf der Kontaktfläche 5 vorhandenen Stanzöls von der Oberfläche entfernt. Eine Druckluftreinigung alleine erfüllt allerdings nicht die Anforderung an die
Reinheit der Kontaktfläche für den nachgelagerten
Druckprozess, da ein dünner, homogener Ölfilm auf der Oberfläche zurückbleibt. Dieser Ölfilm wird bei der vorliegenden Reinigungseinrichtung 6 auf den Kontakt flächen 5 selektiv mittels Laserstrahlung entfernt, wie dies in Figur 1 mit dem Laser 7 angedeutet ist. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen gepulsten Laser mit einer Wellenlänge von 1064 nm handeln. Ohne den Einsatz der Druckluftvorreinigung wäre der Laser reinigungsprozess infolge der inhomogenen Verteilung des Ölfilms deutlich erschwert. Durch eine schnelle Abfolge von Reinigungs- und anschließendem Druckprozess wird einem Zurückziehen des Ölfilms auf die selektiv gereinigte Fläche zuvorgekommen. Diese selektive
Reinigung ermöglicht außerdem eine energieeffiziente Ausführung des Reinigungsprozesses und entspricht den an die Prozesszeiten gestellten Anforderungen für eine hohe Taktrate. Durch den Einsatz eines derartigen physikalischen Reinigungsverfahrens werden chemische Reinigungsverfahren ersetzt. Aufwände für die Lagerung, Handhabung und Entsorgung von Reinigungsmitteln
entfallen damit.
Im Anschluss an die Reinigung erfolgt dann der Druckprozess in der Druckeinrichtung, die als
Tampondruckeinrichtung 8 ausgebildet ist. Bei dieser Tampondruckeinrichtung 8 sind mehrere Tampons 9 auf einer umlaufenden Führung 10 angeordnet, wie dies schematisch in Figur 2 dargestellt ist. Die Figur 2 zeigt auch das durch die Tampondruckeinrichtung 8 laufende metallische Band 3 im Querschnitt senkrecht zur Transportrichtung, das in diesem Beispiel in einer Führungsschiene 11 geführt wird. Die Tampondruckein richtung 8 weist auch eine Reinigungsvorrichtung 12 zur Säuberung der Tamponflächen, im vorliegenden Beispiel ein zwischen einer Aufwickel- und einer Abwickelrolle gespanntes Klebeband, sowie das für die Aufnahme des Schichtmaterials ausgebildete Klischee 13 auf. Das Klischee 13 ist in diesem Beispiel mit einer Paste 14 mit mikropartikulärem Edelmetall gefüllt. Die
Bewegungsrichtung 15 der Führung 10 mit den Tampons 9 ist durch einen Pfeil angedeutet. Durch eine einfache Hubbewegung der Führung, wie sie mit den Doppelpfeilen in der Figur 2 dargestellt ist, können die Pasten aufnahme, die Tamponreinigung sowie der Tampondruck gleichzeitig stattfinden, wie dies aus der Figur 2 ersichtlich ist. Beim Tampondruck wird eine Schicht mit einer Dicke im Bereich zwischen 1 bis 50 mpi auf die Kontaktflächen aufgebracht. Durch die Nutzung einer Klischeeplatte mit mehreren Klischees 13 kann auch die Auffüllung der Klischees zeitgleich mit der Aufnahme der Paste durch ein Tampon 9 erfolgen. Über einen
Austausch der Klischees 13 bzw. der Klischeeplatte kann der Druckauftrag schnell an veränderte Bauteil- bzw. Kontaktflächengeometrien angepasst werden.
Vor der Laserfunktionalisierung der selektiv bedruckten Kontaktflächen ist ein Trocknungsschritt erforderlich, um die für die Verdruckbarkeit
notwendigen Lösungsmittel aus der aufgedruckten Schicht zu entfernen. Ohne diesen Schritt würden die
aufgedruckten Edelmetallpartikel in Folge der
explosionsartigen Verdampfung des Lösungsmittels von der Kontaktfläche abgetragen werden. Für die Trocknung muss die bedruckte Kontaktfläche für einen Zeitraum mit einer Temperatur beaufschlagt werden, die zum
Verdampfen des Lösungsmittels ausreichend ist. Da die Verdampfungsrate des Lösungsmittels eine temperatur abhängige Größe darstellt, bestimmt die Trocknungs temperatur (in Kombination mit der Taktrate) maßgeblich die Länge der Trocknungsstrecke. Aus diesem Grund sind möglichst hohe Temperaturen gefordert, welche jedoch zur Erhaltung des Gefüges des Grundmaterials begrenzt werden müssen. In der vorliegenden Anlage wird
vorzugsweise eine Trocknungstemperatur im Bereich zwischen 300°C und 500°C eingesetzt, beispielsweise von T = 300°C auf einer Trocknungsstrecke von 1,5 m Länge. Der Trocknungsprozess muss weiterhin so gestaltet werden, dass möglichst hohe Aufheizraten im Trockengut erreicht werden. Aufheizraten, die sich aus einem rein strahlungsbasierten Wärmeeintrag mit Hilfe von IR- Strahlern in das Bandmaterial ergeben, genügen diesen Anforderungen in Folge des hohen Reflexionsgrads des in der Regel vernickelten Substratmaterials von > 85% (bei l = 2 |im) nicht. Aus diesem Grund wird die IR-Strecke in einer Ausgestaltung der Trocknungseinrichtung 19 so modifiziert, dass der Wärmeeintrag in das Bandmaterial indirekt über eine mittels IR-Strahlung 18 aufgeheizte Metallführung 16 für das Bandmaterial 3 erfolgt, wie sie in Fig. 3 zusammen mit einem IR-Strahler 17
schematisch dargestellt ist. Die Metallführung 16 wird dabei aus einem Material wie beispielsweise Kupfer gewählt, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit und auch eine ausreichend geringe Reflexion für IR-Strahlung
aufweist. Die gute Wärmeleitung der Metallführung 16 führt dazu, dass die bedruckten Kontaktflächen rasch und unabhängig von den optischen Eigenschaften mit der zur Trocknung notwendigen Temperatur beaufschlagt werden. Die Metallführung 16 ist außerdem derart gestaltet (doppeltes C-Profil), dass ein Ausknicken des Bandmaterials 3 durch den Vorschub verhindert wird. Alternativ zur IR-Bestrahlung kann beispielsweise auch eine Heizplatte zur Aufheizung der Metallführung 16 genutzt oder das Bandmaterial direkt über eine
entsprechende Heizplatte geführt werden. Auch eine Integration von Heizelementen (z.B. Heizdraht) in die Metallführung ist möglich. Durch die hohe Wärme
kapazität der Metallführung 16 reagiert das System sehr tolerant auf Enthalpiestromschwankungen in Folge variabler Taktrate. Da die Metallführung 16 und das Bandmaterial 3 sich aufgrund der hohen Aufheizrate nach kurzer Zeit in einem thermischen Gleichgewicht
befinden, kann für die Temperaturregelung angenommen werden, dass die Temperatur des Bandmaterials 3 der Temperatur der Metallführung 16 entspricht. Damit kann auf eine aufwändige optische Temperaturüberwachung verzichtet werden. Eine reine Aufheizung des Band materials 3 durch IR-Bestrahlung ohne die Metallführung 16 ist grundsätzlich auch möglich, führt jedoch zu längeren Trocknungszeiten.
Zur Erzielung taktratenunabhängiger reproduzier barer Trocknungsergebnisse kann anstelle der IR-Strecke auch ein Lasersystem eingesetzt werden, wie dies als Alternative schematisch mit dem Laser 20 der
Trocknungseinrichtung 19 in der Figur 1 ebenfalls angedeutet ist. Als Laser kann hierbei ein im UV, VIS oder NIR emittierender Laser eingesetzt werden. Die Trocknungszeiten liegen bei Nutzung eines Lasers im Bereich zwischen 0,01 und 10 s, bei Nutzung eines IR- Strahlers etwa 20 bis 60 s.
Auf den Trocknungsprozess folgt in der Laser bearbeitungseinrichtung 21 der Laserfunktionali- sierungsprozess . Dabei wird die bedruckte und getrocknete Kontaktfläche zunächst mit gepulster und anschließend mit cw-Laserstrahlung behandelt. In der Figur 1 ist hier schematisch nur ein Laser 22
angedeutet, wobei sowohl ein gepulster Laser als auch ein cw-Laser eingesetzt werden. Beide Laser emittieren vorzugsweise Laserstrahlung mit der gleichen
Wellenlänge, beispielsweise mit einer Wellenlänge von 1064 bis 1070 nm. Mit der gepulsten Laserstrahlung erfolgt zunächst eine Sinterung der aufgebrachten
Schicht. Die gesinterte Schicht wird anschließend mit der cw-Laserstrahlung vollständig aufgeschmolzen, um eine homogene Edelmetallschicht zu erzeugen, die sich schmelzmetallurgisch fest mit der Kontaktfläche
verbindet. Als Ergebnis wird dann eine mit der
Kontaktfläche verschmolzene Edelmetallschicht erhalten.
Anschließend werden die Kontaktelemente in einer weiteren Stanz-Biegeeinrichtung 23 zunächst fertig gebogen und anschließend vereinzelt. Ein entsprechend vereinzeltes fertig geformtes Kontaktelement 4 ist in Figur 1 im Querschnitt unterhalb der Stanz-Biege einrichtung 23 schematisch dargestellt. Die einzelnen Fertigungseinrichtungen der in Figur 1 dargestellten Fertigungslinie lassen sich auf einem gemeinsamen
Maschinenkörper integrieren und ermöglichen damit eine sehr kompakte Ausgestaltung der Anlage.
Bezugszeichenliste
I Rolle mit Bandmaterial
2 Stanz-Biegeeinrichtung
3 Bandmaterial
4 Kontaktelemente
5 Kontaktflächen
6 Reinigungseinrichtung
7 Laser für Reinigung
8 Tampondruckeinrichtung
9 Tampon
10 Führung
II Führungsschiene
12 Reinigungsvorrichtung
13 Klischee
14 Edelmetallpaste
15 Umlaufrichtung
16 Metallführung
17 IR-Strahler
18 IR-Strahlung
19 Trocknungseinrichtung
20 Laser für Trocknung
21 Laserbearbeitungseinrichtung 22 Laser
23 Stanz-Biegeeinrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Anlage zur Herstellung elektrischer Kontakt
elemente mit selektiv veredelten elektrischen Kontaktflächen, bei der in einer Fertigungslinie wenigstens folgende Fertigungseinrichtungen in Reihe angeordnet sind:
- eine Umformeinrichtung (2), durch die
zugeführtes metallisches Bandmaterial (3)
mechanisch in eine für die Bildung der
Kontaktelemente (4) geeignete Form gebracht wird,
- eine Reinigungseinrichtung (6), die zur
selektiven Entfernung von Ölrückständen an den Kontaktflächen (5) ausgebildet ist,
- eine Druckeinrichtung (8), mit der eine Schicht mit Mikro- und/oder Nanopartikeln eines
Edelmetalls selektiv auf die Kontaktflächen (5) aufgebracht wird,
- eine Trocknungseinrichtung (19), die zur
Trocknung der aufgebrachten Schicht ausgebildet ist, und
- eine Laserbearbeitungseinrichtung (21) zur Funktionalisierung der aufgebrachten Schicht,
- wobei die Laserbearbeitungseinrichtung (21) wenigstens einen kontinuierliche Laserstrahlung und wenigstens einen gepulste Laserstrahlung emittierenden Laser (22) aufweist und so
ausgebildet ist, dass die auf den Kontaktflächen (5) aufgebrachte Schicht zunächst mit gepulster Laserstrahlung gesintert und die gesinterte
Schicht anschließend mit kontinuierlicher
Laserstrahlung vollständig aufgeschmolzen wird, um eine homogene Schicht aus dem Edelmetall zu bilden und mit der Kontaktfläche (5) zu verschmelzen, und - wobei die Druckeinrichtung (8) als eine
Einrichtung zum Tampondruck ausgebildet ist, die für einen Druck mit Taktraten der Fertigungslinie angepasst ist.
2. Anlage nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass bei der Einrichtung zum Tampondruck mehrere Tampons (9) so auf einer umlaufenden Führung (10) angeordnet sind, dass mit einer Hub- oder
Drehbewegung Tampondruck und Materialaufnahme aus einem Klischee (13) für wenigstens zwei Tampons (9) gleichzeitig erfolgen.
3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Reinigungseinrichtung (6) wenigstens einen Laser (7) umfasst, der Laserstrahlung emittiert, mit der die Ölrückstände an den
Kontaktflächen (5) entfernt werden.
4. Anlage nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Reinigungseinrichtung (6) auch wenigstens eine Drucklufteinrichtung umfasst, mit der die
Kontaktflächen (5) unmittelbar vor einer
Bestrahlung mit der Laserstrahlung mit Druckluft beaufschlagt werden.
5. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Trocknungseinrichtung (19) eine
metallische Führung (16) für das metallische
Bandmaterial (3), die IR-Strahlung weniger stark reflektiert als das metallische Bandmaterial (3), und eine IR-Bestrahlungseinrichtung (17) aufweist, mit der die metallische Führung (16) aufgeheizt wird .
6 Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Trocknungseinrichtung (19) eine
metallische Führung oder metallische Auflage für das metallische Bandmaterial aufweist, in die Heizelemente zur Aufheizung der metallischen
Führung oder metallischen Auflage integriert sind oder die mit einer Heizeinrichtung zur Aufheizung der metallischen Führung oder metallischen Auflage in Kontakt ist.
7 Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Trocknungseinrichtung (19) wenigstens eine Lasereinrichtung mit einem Laser (20) aufweist, die für eine Lasertrocknung der auf den Kontaktflächen (5) aufgebrachten Schicht
ausgebildet und angeordnet ist.
8 Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Fertigungslinie im Anschluss an die
Laserbearbeitungseinrichtung (21) noch eine weitere Umformeinrichtung (23) aufweist, in der die Kontaktelemente (4) in eine endgültige Form gebracht und/oder vereinzelt werden.
9 Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine zentrale Steuerung mit den
Fertigungseinrichtungen der Fertigungslinie verbunden ist und diese zur Durchführung der
Fertigung mit einem vorgebbaren Fertigungstakt ansteuert .
10. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass Umformeinrichtung ( en) (2, 23) als Stanz-
Biegeeinrichtung ( en) ausgebildet ist bzw. sind.
11. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Fertigungseinrichtungen auf einem gemeinsamen Maschinenkörper angeordnet sind.
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