WO2023062198A1 - Metallisches kontaktbauteil einer elektrischen steckverbindung und elektrische anschlussklemme - Google Patents

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contact
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busbar
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Marvin Krecht
Tobias LANGER
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Weidmüller Interface GmbH & Co. KG
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    • H01R4/4821—Single-blade spring

Definitions

  • the present invention relates to a metallic contact component of an electrical plug connection according to the preamble of claim 1 and an electrical connection terminal.
  • Contact components for the aforementioned application are known in a wide variety of designs, for example from DE 20 2015 106 472 U1 or DE 201 17 770 U1. These contact components usually include a busbar and a contact tulip attached to it in a resilient manner, which can be connected to one another to form a one-piece component.
  • the usual connection technology for achieving a one-piece design is a welded connection. In most cases, however, these are not mentioned in simplified technical drawings.
  • SLM manufacturing technologies for the additive manufacturing of one-piece seamless components are known per se. Since the construction of the first industrial production facility in 1995, the number of applications has increased. However, the use of powder-manufactured SLM components is limited because the components have a certain porosity. On the one hand, this has an influence on the mechanical stability of the components and, on the other hand, on the conductivity. In addition, the adjustment of suitable ductility and elastic deformability with simultaneous material strength of an SLM-manufactured component was a major problem for a long time, which posed major problems for the manufacture of SLM-manufactured clamping and spring elements, in which both properties are required.
  • a metallic contact component having the features of claim 1. Also according to the invention is an electrical connection terminal comprising the aforementioned contact component.
  • a metallic contact component according to the invention of an electrical plug connection comprises at least one busbar and a contact tulip, which is arranged resiliently on the busbar.
  • the contact component can be a socket contact of an electrical connection terminal for receiving a contact pin as a plug-in partner.
  • the busbar and the contact tulip each have a contact surface for making contact with a plug-in partner.
  • the contact surfaces face each other.
  • the contact component is manufactured additively.
  • the material has an increased resistance due to the lower specific density than a conventional solid material, it has been shown that the conductivity is still sufficient for the intended use. At the same time, the density is the same throughout the material and is therefore not selective and undefined.
  • the metallic contact component is advantageously configured monolithically and/or without seams, in particular without weld seams.
  • the conductor rail can have pores in particular in a cross section along its longitudinal axis.
  • the mean specific density of the contact component can be less than 98%, for example, preferably between 93-97%.
  • further variants of a contact component are possible within the scope of the invention, which has an average specific density of greater than or equal to 98%.
  • the metallic contact component can also advantageously have areas with different mean surface roughnesses. In this way, better pluggability can be made possible at one point and the movement of a jammed or rusted element can be inhibited at another point.
  • the contact surfaces can be designed as smoothed areas, in particular with a roughness of less than 20% compared to the roughness of neighboring areas. This means that the roughness of the adjacent areas can be at least 5 times greater than that of the contact surfaces.
  • the metallic contact component can preferably have a copper-chromium-zirconium compound or preferably consist of it. This material enables an optimal compromise between conductivity, material strength and at the same time elastic deformability of the metal to obtain a spring effect without the metal breaking or plastic deformation.
  • the copper-chromium-zirconium compound has more than 50% by weight, preferably more than 60% by weight, preferably more than 65% by weight, of copper.
  • the remaining surface of the busbar can have a greater average surface roughness than in the area of the contact surfaces.
  • the surface roughness can vary greatly, so it is advisable to average the measured values, eg over a range of 1 cm 2 .
  • the busbar can have slits in the transition between the contact tulip and the busbar to reduce the notch effect.
  • the conductor rail can advantageously be in the form of a pin, preferably as a polygonal pin, particularly preferably as a square pin, in particular with a square Cross section, be formed. This provides flat surfaces for supporting contact elements, such as contact pins or electrical conductors, which enables better contacting and positioning of the clamping elements.
  • busbar As an alternative to the illustrated linear shape of the busbar, however, other shapes are also possible for the busbar, in particular a concave shape on which the conductor rests.
  • the busbar can advantageously be made thicker than the contact tulip, at least in the transition to the contact tulip or in an area adjoining it, so that the busbar represents a mechanically more rigid segment compared to the contact tulip.
  • the busbar can have a larger central cross section in the longitudinal direction than the contact tulip in its course. This makes the contact tulip more flexible.
  • the busbar can also have a projection as a stop for a clamping spring.
  • the minimum diameter of the busbar is at least 0.85 mm, preferably at least 0.9 mm, particularly preferably at least 1 mm.
  • the metallic contact component can be designed to hold a contact pin in a clamped manner.
  • the metallic contact component can be designed to hold a contact pin in a latching manner.
  • an electrical connection terminal comprising a metallic contact component according to the invention and a clamping spring for holding an electrical conductor in connection with the contact component.
  • FIG. 2 shows a perspective view of the contact component with a clamping spring for clamping a conductor
  • FIG. 3 is a perspective view of an assembly of the contact assembly with a clamp spring and retained conductor and contact pin;
  • Figure 4 is a side view of the arrangement of Figure 3.
  • FIG. 5 shows a sectional view through the contact component according to the invention.
  • FIG. 1 a and b show an embodiment variant of a metallic contact component 1 according to the invention. It has a busbar 2 .
  • the conductor rail 2 is designed as a square pin.
  • busbar can also be provided as a round pin with one or more planar contact surfaces. Concave shapes are also possible for the busbar.
  • the mean diameter of the conductor rail 2 averaged over its entire length and averaged over the cross section can be at least 0.85 cm.
  • the ends 4 and 5 of the busbar 2 are bent.
  • the contact component 1 has a contact tulip 3 . It is integrally connected to the busbar. In particular, the connection is seamless due to the use of an additive manufacturing process for manufacturing the component according to the invention.
  • the contact tulip 3 protrudes perpendicularly from the busbar 2 and then has a U-shape, the end 6 of the contact tulip 3 being brought back up to the busbar.
  • the end 6 of the contact tulip 3 is also bent and ends at the same height as the end 5 of the busbar 2.
  • the bent ends 5 and 6 define an insertion direction S for a contact pin 30.
  • the ends 5 and 6 of the busbar 2 and the contact tulip 3 each have contact surfaces 7 and 8, which face one another. The distance between the contact surfaces 7 and 8 can be varied by applying force.
  • the contact tulip 3 is thus arranged in a resilient manner in relation to the busbar 2 .
  • the contact tulip 3 has a lower average thickness DK at the base 9 of the busbar 2 than the thickness Ds of the power rail 2 beyond the base.
  • the thickness ÜKOr Ds is the extension of the contact tulip and the busbar perpendicular to the direction of insertion S.
  • the thickness DK of the contact tulip 3 at the shoulder 9 is preferably at least 15%, preferably between 20-60%, particularly preferably 21-40% of the thickness Ds power rail 2.
  • the thickness Ds of the busbar is equivalent to the so-called minimum diameter, which, specifically for the design of the busbar 2 as a square pin, corresponds to the length of the shortest side of the cross section of the square pin through its longitudinal axis.
  • minimum diameter refers to the smallest distance between two points along the cross section through the longitudinal axis of the busbar 2.
  • the aforementioned cross section and the minimum diameter refer to an area outside of this point or points, i.e. to the cross section which is predominantly the same along the longitudinal axis of the busbar 2 (apart from of any fluctuations due to varying surface roughness).
  • the thickness D of the contact tulip 3 increases from the approach 9 to the end 4 .
  • the widening at the end 4 can preferably be at least 50%, preferably 70-220%, compared to the thickness D at the base 9.
  • the extension of the contact component 1 perpendicular to the insertion direction S formed by the shape of the bend in the tulip contact 3 is at least 15%, preferably between 20-60%, of the length of the power strip.
  • the busbar has a projection 13 along its end 4 remote from the end 6 of the contact tulip 3 to reinforce clamping of an electrical conductor on the busbar.
  • the contact component is preferably manufactured additively and consists of a copper-chromium-zirconium compound.
  • the compound can be designed as an alloy with a chromium content of preferably less than 3% by weight, particularly preferably between 0.6-1.5% by weight and with a zirconium content of less than 0.8% by weight, particularly preferably between 0.1 -0.0.75% by weight in the alloy.
  • the oxygen content of the copper-chromium-zirconium compound can preferably be more than 4% by weight, in particular 4.5-8% by weight
  • the carbon content of the copper-chromium-zirconium compound can be more than 12% by weight, preferably 17-28% by weight.
  • a chlorine compound can be present as a further component in an amount of less than 1% by weight, preferably less than 0.5% by weight.
  • FIG. 5 shows a micrograph of the material of the conductor rail 2, which, however, is also the material of the tulip contact 3 in an analogous manner.
  • the formation of the material and the formation of a one-piece and seamless transition, in particular one without weld seams, between the conductor rail 2 and the contact tulip 3 is achieved by an additive process, in particular a so-called SLM process.
  • a porous material results with an average specific gravity compared to the normal density of solid copper of less than 98%, preferably between 93-97%.
  • the material has sufficiently good conductivity for use.
  • the minimum diameter of the conductor rail 1 should be at least 0.85 mm, preferably at least 0.9 mm, particularly preferably at least 1 mm, over more than 90% of its length be in order to compensate for the conductivity through a larger cross-section of the material.
  • the busbar has good mechanical stability so that it can be used as a contacting component without further aids for mechanical stabilization.
  • a possible housing is therefore only used to protect against contact and no longer has to be used for mechanical stabilization.
  • this contact component is preferably suitable for the production of small series with different conductor and contact pin diameters.
  • the material is available quickly and customer-specific requirements can be taken into account in the design.
  • contact tulip 3 and busbar 2 enable the creation of a component without welding areas. Not only is one work step saved, but there are no process fluctuations as with welding. In addition, there are no electrical losses and no undefined resistances at the weld transitions.
  • connection to a circuit board can be variable.
  • through-plating is possible.
  • a further advantage of an additively manufactured component is the increase in surface roughness, whereby better restraint of the conductor 40 can be achieved when it is pressed against the busbar. Projections on the busbar can also be formed on the opposite side without affecting the material.
  • Usual mean roughnesses of the additively manufactured contact component 1 outside the post-processed areas can be more than 10 ⁇ m, preferably more than 30 ⁇ m.
  • FIG. 2 shows an image of the contact component according to the invention with a clamping spring of a connection terminal.
  • the clamping spring 20 has two legs, a longer clamping leg 21 for clamping a conductor between the clamping spring 20 and the rigid busbar 2, and a shorter support leg 22 for support on a rigid object, e.g. a non-illustrated housing wall of an electrical connection terminal.
  • the clamping spring 20 is part of a connection terminal according to the invention.
  • a contact pin 30 can also be part of the connection terminal, as shown in FIG. 3 or FIG.
  • the contact pin 30 is arranged between the electrical contact surfaces 4 and 5 of the contact tulip 3 and the busbar 2 and forms a clamping mount there. It is also possible to provide a snap-in mount instead of the clamped mount.
  • Fig. 4 also shows in particular the contact of the electrical conductor 40 between the clamping spring 20 and the conductor rail 2.
  • the contact of the conductor 40 takes place along a surface which has a higher surface roughness than the contact surface 7 for clamping and/or latching of the contact pin 30 .

Landscapes

  • Connections Effected By Soldering, Adhesion, Or Permanent Deformation (AREA)
  • Conductive Materials (AREA)

Abstract

Metallisches Kontaktbauteil (1) einer elektrischen Steckverbindung, insbesondere ein Buchsenkontakt zur Aufnahme eines Kontaktstifts (30) als Steckpartner, wobei das Kontaktbauteil (1) zumindest eine Stromschiene (2) und eine Kontakttulpe (3) umfasst, welche federnd an der Stromschiene (2) angeordnet ist und wobei die Stromschiene (2) und die Kontakttulpe (3) jeweils eine Kontaktfläche (7, 8) zur Kontaktierung mit einem Steckpartner aufweisen, welche einander zugewandt sind und wobei das Kontaktbauteil (1) additiv gefertigt ist, sowie eine elektrische Anschlussklemme.

Description

Metallisches Kontaktbauteil einer elektrischen Steckverbindung und elektrische Anschlussklemme
Die vorliegende Erfindung betrifft ein metallisches Kontaktbauteil einer elektrischen Steckverbindung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , sowie eine elektrische Anschlussklemme.
Kontaktbauteile für den vorgenannten Anwendungszweck sind in unterschiedlichster konstruktiver Ausführung beispielsweise aus der DE 20 2015 106 472 U1 oder der DE 201 17 770 U1 bekannt. Diese Kontaktbauteile umfassen zumeist eine Stromschiene und eine federnd daran angebrachte Kontakttulpe, welche miteinander zu einem einstückigen Bauteil verbunden sein können. Die übliche Verbindungstechnik zum Erreichen einer Einstückigkeit ist dabei eine Schweißverbindung. Zumeist werden diese allerdings in vereinfachten technischen Zeichnungen nicht erwähnt.
Problematisch daran ist das Einbringen von Undefinierten Widerständen an den Schweißübergängen. Zudem kann durch die Schweißverbindung zwar eine Fertigung aus gleichem Material erreicht werden, allerdings bildet sich ein kompakterer Bereich innerhalb des Materials aus, welcher die Klemm- oder Federkraft der Kontakttulpe unerwünscht beeinflusst.
SLM-Fertigungstechnologien zur additiven Fertigung von einstückigen nahtlosen Bauteilen sind an sich bekannt. Seit Aufbau der ersten industriellen Fertigungsanlage im Jahr 1995 nimmt die Zahl der Anwendungen zu. Allerdings ist der Einsatz von aus pulver-gefertigten SLM-Bauteilen limitiert, da die Bauteile eine gewisse Porosität aufweisen. Dies hat einerseits Einfluss auf die mechanische Stabilität der Bauteile und andererseits auf die Leitfähigkeit. Überdies war die Einstellung einer geeigneten Duktilität und einer elastischen Verformbarkeit bei gleichzeitiger Matenalfestigkeit eines SLM-gefertigten Bauteils lange Zeit eine große Problemstellung, welche die Fertigung von SLM-gefertigten Klemm- und Federelementen, in welchen beide Eigenschaften benötigt werden, vor größere Probleme stellte.
Eine erste Variante für eine Problemlösung dieser anspruchsvollen Aufgabe wurde für den Werkstoff Stahl von Leifeng Liu, et al. im Artikel „Dislocation network in additive manufactured steel beaks strength-ductility trade-off“ in materialstoday Vol 21 , Teil 4, S.354-361 im Mai 2018 beschrieben. Insofern gibt es vielfältige Bedenken bei der Anwendung addtiv-gefertigter Kontaktbauteile mit Kontakttulpen um als klemmender Steckpartner einer elektrischen Steckverbindung zu dienen.
Ausgehend von der vorgenannten Betrachtung ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein metallisches Kontaktbauteil bereitzustellen, welches einstückig ausgebildet ist und keine Undefinierten Widerstände aufweist.
Diese Aufgabe wird durch ein metallisches Kontaktbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterhin erfindungsgemäß ist eine elektrische Anschlussklemme umfassend das vorgenannte Kontaktbauteil.
Ein erfindungsgemäßes metallisches Kontaktbauteil einer elektrischen Steckverbindung, umfasst zumindest eine Stromschiene und eine Kontakttulpe, welche federnd an der Stromschiene angeordnet ist.
Bei dem Kontaktbauteil kann es sich um einen Buchsenkontakt einer elektrischen Anschlussklemme zur Aufnahme eines Kontaktstifts als Steckpartner handeln.
Die Stromschiene und die Kontakttulpe weisen jeweils eine Kontaktfläche zur Kontaktierung mit einem Steckpartner auf. Die Kontaktflächen sind einander zugewandt.
Erfindungsgemäß ist das Kontaktbauteil additiv gefertigt. Zwar weist das Material einen erhöhten Widerstand aufgrund geringerer spezifischer Dichte als ein herkömmliches Massivmaterial auf, allerdings hat sich gezeigt, dass die Leitfähigkeit trotzdem ausreichend für den Einsatzzweck ist. Zugleich ist die Dichte im gesamten Material gleich und somit nicht punktuell und Undefiniert.
Überdies hat sich überraschend gezeigt, dass sich bestehende Vorurteile hinsichtlich der Duktilität, der elastischen Verformbarkeit und der Materialstabilität nicht bestätigt haben. Idealerweise empfiehlt sich jedoch für eine gute Matenalstabilität innerhalb des Einsatzzweckes allerdings das Einhalten eines gewissen Mindestdurchmessers für die Stromschiene des additiv-gefertigten, insbesondere SLM-ge- fertigten, Kontaktbauteils.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kontaktbauteils sind Gegenstand der Unteransprüche. Vorteilhaft ist das metallische Kontaktbauteil monolithisch und /oder nahtfrei, insbesondere schweißnahtfrei, ausgebildet.
Die Stromschiene kann insbesondere in einem Querschnitt entlang ihrer Längsachse Poren aufweisen. Die mittlere spezifischen Dichte des Kontaktbauteils kann in einer Ausführungsvariante beispielsweise weniger als 98%, vorzugsweise zwischen 93-97%, betragen. Allerdings sind weitere Ausführungsvarianten eines Kontaktbauteils im Rahmen der Erfindung möglich, das eine mittlere spezifische Dichte von größer oder gleich 98% aufweist.
Das metallische Kontaktbauteil kann zudem vorteilhaft Bereiche mit unterschiedlichen mittleren Oberflächenrauigkeiten aufweist. So kann an einer Stelle eine bessere Steckbarkeit ermöglicht werden und an einer anderen Stelle eine Hemmung der Bewegung eines verklemmten oder verrosteten Elements erreicht werden.
Insbesondere die Kontaktflächen können als geglättete Bereiche, insbesondere mit einer Rauigkeit von weniger als 20% gegenüber der Rauigkeit von benachbarten Bereichen, ausgebildet sein. Dies bedeutet, die Rauigkeit der benachbarten Bereiche kann zumindest 5-fach größer sein als die der Kontaktflächen.
Das metallische Kontaktbauteil kann vorzugsweise eine Kupfer-Chrom-Zirkon-Ver- bindung aufweisen oder vorzugsweise daraus bestehen. Dieses Material ermöglicht einen optimalen Kompromiss aus Leitfähigkeit, Materialfestigkeit und zugleich elastischer Verformbarkeit des Metalls für den Erhalt einer Federwirkung, ohne dass es zum Bruch des Metalls oder zu einer plastischen Verformung kommt.
Idealerweise weist die Kupfer-Chrom-Zirkon-Verbindung mehr als 50 Gew., vorzugsweise mehr als 60 Gew.%, vorzugsweise mehr als 65 Gew.%, Kupferanteil auf.
Die restliche Oberfläche der Stromschiene kann eine größere mittlere Oberflächenrauigkeit aufweisen als im Bereich der Kontaktflächen. Die Oberflächenrauigkeiten können stark schwanken, insofern empfiehlt sich eine Mittelung der Messwerte, z.B. über einen Bereich von 1 cm2.
Die Stromschiene kann Schlitze im Übergang zwischen Kontakttulpe und Stromschiene zur Verringerung der Kerbwirkung aufweist.
Die Stromschiene kann vorteilhaft stiftartig, vorzugsweise als Mehrkantstift, besonders bevorzugt als Vierkantstift, insbesondere mit einem quadratischen Querschnitt, ausgebildet sein. Dadurch werden ebene Flächen zur Auflage von Kontaktelementen, wie Kontaktstiften oder elektrischen Leiter, bereitgestellt, was eine bessere Kontaktierung und Positionierung der Klemmelemente ermöglicht.
Alternativ zur dargestellten linearen Form der Stromschiene sind allerdings auch andere Formen für die Stromschiene, insbesondere eine konkave Form möglich, an welcher der Leiter anliegt.
Die Stromschiene kann vorteilhaft zumindest im Übergang zur Kontakttulpe oder in einem daran angrenzenden Bereich dicker ausgebildet sein als die Kontakttulpe, so dass die Stromschiene ein mechanisch-starreres Segment gegenüber der Kontakttulpe darstellt.
Die Stromschiene kann im Längsverlauf einen größeren mittleren Querschnitt aufweisen als die Kontakttulpe in deren Verlauf. Dadurch ist die Kontakttulpe biegsamer.
Die Stromschiene kann überdies einen Vorsprung als Anschlag für eine Klemmfeder aufweisen.
Es ist von Vorteil für die mechanische Stabilität des Kontaktbauteils, wenn der Mindestdurchmesser der Stromschiene zumindest 0,85 mm vorzugsweise zumindest 0,9 mm, besonders bevorzugt zumindest 1 mm beträgt.
Das metallische Kontaktbauteil kann ausgebildet sein zur klemmenden Halterung eines Kontaktstifts.
Alternativ kann das metallische Kontaktbauteil ausgebildet sein zur rastenden Halterung eines Kontaktstifts.
Weiterhin erfindungsgemäß ist eine elektrische Anschlussklemme umfassend ein erfindungsgemäßes metallisches Kontaktbauteil, sowie eine Klemmfeder zur Halterung eines elektrischen Leiters in Verbindung mit dem Kontaktbauteil.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsvananten unter Zuhilfenahme der beiliegenden Figuren näher beschrieben. Dabei werden identische Kontaktbauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere können auch einzelne konstruktive Merkmale aus den Ausführungsbeispielen auf andere nicht-dargestellte erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele übertragen werden. Es zeigen: Fig. 1a, b jeweils eine Perspektivansicht auf ein erfindungsgemäßes metallisches Kontaktbauteil;
Fig. 2 eine Perspektivansicht des Kontaktbauteils mit einer Klemmfeder zur klemmenden Festlegung eines Leiters;
Fig. 3 eine Perspektivansicht einer Anordnung des Kontaktbauteils mit einer Klemmfeder und einem gehaltenen Leiter und einem gehaltenen Kontaktstift;
Fig. 4 eine Seitenansicht der Anordnung der Fig. 3; und
Fig. 5 eine Schnittansicht durch das erfindungsgemäße Kontaktbauteil.
Fig. 1 a und b zeigen eine Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen metallischen Kontaktbauteils 1 . Es weist eine Stromschiene 2 auf. Die Stromschiene 2 ist in der bevorzugten Ausführungsvariante der Fig. 1 als ein Vierkantstift ausgebildet.
Die Stromschiene kann allerdings auch als ein Rundstift mit einer oder mehreren ebenen Kontaktflächenvorgesehen sein. Auch konkave Formen sind für die Stromschiene möglich.
Der mittlere Durchmesser der Stromschiene 2 gemittelt über ihre Gesamtlänge und gemittelt über den Querschnitt kann zumindest 0,85 cm betragen.
Die Enden 4 und 5 der Stromschiene 2 sind abgebogen.
Weiterhin weist das Kontaktbauteil 1 eine Kontakttulpe 3 auf. Sie ist einstückig mit der Stromschiene verbunden. Insbesondere ist die Verbindung nahtlos durch Einsatz eines additiven Fertigungsverfahrens zur Fertigung des erfindungsgemäßen Bauteils. Die Kontakttulpe 3 steht senkrecht von der Stromschiene 2 ab und weist sodann eine u-förmige Form auf, wobei das Ende 6 der Kontakttulpe 3 wieder an die Stromschiene herangeführt ist.
Das Ende 6 der Kontakttulpe 3 ist ebenfalls abgebogen ausgebildet und endet auf der gleichen Höhe wie das Ende 5 der Stromschiene 2. Die abgebogenen Enden 5 und 6 definieren eine Einsteckrichtung S für einen Kontaktstift 30.
Die Enden 5 und 6 der Stromschiene 2 und der Kontakttulpe 3 weisen jeweils Kontaktflächen 7 und 8 auf, welche aufeinander zugerichtet sind. Der Abstand zwischen den Kontaktflächen 7 und 8 kann durch Krafteinwirkung variiert werden. Somit ist die Kontakttulpe 3 federnd gegenüber der Stromschiene 2 angeordnet. Die Kontakttulpe 3 weist am Ansatz 9 der Stromschiene 2 eine geringere mittlere Dicke DK auf als die Dicke Ds der Stromschiene 2 jenseits des Ansatzes. Die Dicke ÜKOder Ds ist die Erstreckung der Kontakttulpe und der Stromschiene senkrecht zur Einsteckrichtung S. Die Dicke DK der Kontakttulpe 3 am Ansatz 9 beträgt dabei vorzugsweise zumindest 15 %, vorzugsweise zwischen 20-60%, besonders bevorzugt 21 - 40% der Dicke Ds der Stromschiene 2.
Die Dicke Ds der Stromschiene ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung äquivalent zum sogenannten Mindestdurchmesser, welcher, speziell für die Ausgestaltung der Stromschiene 2 als Vierkantstift, der Länge der kürzesten Seite des Querschnitts des Vierkantstifts durch seine Längsachse entspricht. Bei anderen geometrischen Ausgestaltungen der Stromschiene z.B. als Sechskantstift, Mehrkantstift oder Rundstift bezeichnet der Begriff Mindestdurchmesser die kleinste Distanz zwischen zwei Punkten entlang des Querschnitts durch die Längsachse der Stromschiene 2.
Weist die Stromschiene Einkerbungen 10, Schlitze 11 , 12 oder Ausnehmungen oder dergleichen auf, so bezieht sich der vorgenannte Querschnitt und der Mindestdurchmesser auf einen Bereich außerhalb dieser Stelle oder Stellen, also auf den Querschnitt welcher entlang der Längsachse der Stromschiene 2 überwiegend gleich ist (abgesehen von etwaigen Schwankungen durch variierende Oberflächenrauigkeiten).
Vom Ansatz 9 erweitert sich die Dicke D der Kontakttulpe 3 bis zum Ende 4 hin. Die Erweiterung am Ende 4 kann vorzugsweise zumindest 50%, vorzugsweise 70- 220%, gegenüber der Dicke D am Ansatz 9 betragen.
Am Ansatz 9 ist im Verlauf der Längsrichtung der Stromschiene 2 zugleich eine Einkerbung 10 in der Stromschiene 2 mit zwei seitlich zum Ansatz 9 angeordneten Schlitzen 11 und 12. Diese sind tiefer als die Dicke D der Kontakttulpe 3. Dadurch wird die Kerbwirkung bei der Verformung der Kontakttulpe 3 verringert.
Die durch die Ausformung der Biegung der Kontakttulpe 3 ausgebildete Erstreckung des Kontaktbauteils 1 senkrecht zur Einsteckrichtung S beträgt zumindest 15%, vorzugsweise zwischen 20-60% der Länge der Strom leiste.
Der Ansatz 9 der Kontakttulpe 3 ist ausgehend von dem Ende 5 der Stromschiene
2 mit der Kontaktfläche 7 bei zumindest auf 30% der linearen Erstreckung der Stromschiene 2, vorzugsweise zwischen 35-75% der linearen Erstreckung der Stromschiene 2, angeordnet.
Weiterhin weist die Stromschiene entlang ihrem dem Ende 6 der Kontakttulpe 3 abgewandten Ende 4 einen Vorsprung 13 zur Verstärkung einer Verklemmung eines elektrischen Leiters an der Stromschiene auf.
Fig. 5 zeigt eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Kontaktbauteils. Das Kontaktbauteil ist vorzugsweise additiv gefertigt und besteht aus einer Kupfer-Chrom- Zirkon-Verbindung. Die Verbindung kann als Legierung ausgebildet sein mit Anteilen an Chrom von vorzugsweise weniger als 3 Gew.%, besonders bevorzugt zwischen 0,6-1 ,5 Gew.% und mit Anteilen an Zirkon von weniger als 0,8 Gew.%, besonders bevorzugt zwischen 0,1 -0,0,75 Gew.% in der Legierung.
Der Sauerstoffanteil der Kupfer-Chrom-Zirkon-Verbindung kann vorzugsweise mehr als 4 Gew.%, insbesondere 4,5-8 Gew.% betragen
Der Kohlenstoffanteil der Kupfer-Chrom-Zirkon-Verbindung kann mehr als 12 Gew.% betragen, vorzugsweise 17-28 Gew.%.
Als weiterer Bestandteil kann eine Chlorverbindung zu weniger als 1 Gew.%, vorzugsweise weniger 0,5 Gew.% enthalten sein.
Die vorgenannten Gewichtsanteile können mittels REM-Analyse ermittelt werden
Fig. 5 zeigt ein Schliffbild des Materials der Stromschiene 2, welches allerdings auch analog das Material der Kontakttulpe 3 ist. Die Ausbildung des Materials und die Ausformung eines einstückigen und nahtlosen, insbesondere schweißnahtlosen Übergangs zwischen der Stromschiene 2 und der Kontakttulpe 3 wird durch ein additives Verfahren erreicht, insbesondere ein sogenanntes SLM verfahren.
Zugleich ergibt sich ein poröses Material mit einer mittleren spezifischen Dichte gegenüber der Normaldichte von Massivkupfer von weniger als 98%, vorzugsweise zwischen 93-97%.
Überraschend wurde festgestellt, dass das Material trotz dieser Porosität eine für den Einsatz hinreichend gute Leitfähigkeit besitzt. Allerdings sollte der Mindestdurchmesser der Stromschiene 1 über mehr als 90% seiner Länge zumindest 0,85 mm vorzugsweise zumindest 0,9 mm, besonders bevorzugt zumindest 1 mm betragen, um dadurch die Leitfähigkeit durch einen größeren Materialquerschnitt auszugleichen.
Zugleich weist die Stromschiene bei dieser Dicke eine gute mechanische Stabilität auf um ohne weitere Hilfsmittel zur mechanischen Stabilisierung als Kontaktierungsbauteil genutzt zu werden. Ein etwaiges Gehäuse dient somit nur dem Schutz vor Berührung und muss nicht mehr der mechanischen Stabilisierung dienen.
Im SLM-Verfahren (selektives Laserschmelzen) wird ein Metallpulver unter Einfluss von Laserlicht miteinander verschmolzen, wobei sich allerdings die vorgenannten Poren ausbilden.
Die Herstellung dieses Kontaktbauteils eignet sich vorzugsweise zur Herstellung von Kleinserien mit verschiedenen Leiter- und Kontaktstiftdurchmessern. Das Material ist schnell verfügbar und kundenspezifische Anforderungen können in dem Design berücksichtigt werden.
Die Funktionsintegration von Kontakttulpe 3 und Stromschiene 2 ermöglicht die Schaffung eines Bauteils ohne Schweißbereiche. Es wird dabei nicht nur ein Arbeitsschritt eingespart, sondern es entstehen keine Prozessschwankungen wie beim Schweißen. Zudem treten keine elektrischen Verluste und keine Undefinierten Widerstände an den Schweißübergängen auf.
Es können zudem komplexe Geometrien und unterschiedliche definierte Mindestdurchmesser zur Einstellung einer definierten Feder- und Klemmkraft der Tulpe realisiert werden.
Dies wurde im Fall des erfindungsgemäßen Kontaktbauteils 1 am Ansatz 9 realisiert, so dass eine bessere Federeigenschaft erreicht werden kann.
Die Anbindung an eine Leiterplatte kann variabel erfolgen. Darüber hinaus ist eine Durchkontaktierung möglich.
Ein weiterer Vorteil eines additiv-gefertigten Bauteils ist die Erhöhung der Oberflächenrauigkeit, wodurch eine bessere Hemmung des Leiters 40 erreichbar ist, wenn dieser gegen die Stromschiene gepresst wird. Auch Vorsprünge an der Stromschiene können ohne Materialeinwirkung auf der Gegenseite ausgeformt werden.
Für eine Kopplung mit dem Kontaktstift 30 hingegen kann in einem definierten Bereich der Kontakttulpe 3 und der Stromschiene 2, welche zur Kontaktierung vorgesehen sind eine Oberflächennachbearbeitung in Form einer Glättung erfolgen. Diese geglätteten Flächen sind insbesondere die Kontaktflächen 7 und 8. Hier empfiehlt sich eine mittlere Rauigkeit von weniger als 0,5 pm, vorzugsweise weniger als 0,25 pm. Die Rauigkeit kann z.B. nach ISO 25178 bestimmt werden. Dies ist von Vorteil zur Verbesserung der Kontaktierung und zur Verringerung von Abrieb am Steckpartner.
Übliche mittlere Rauigkeiten des additiv gefertigten Kontaktbauteils 1 außerhalb der nachbearbeiteten Bereiche können bei mehr als 10 pm, vorzugsweise mehr als 30 pm, liegen.
Fig. 2 zeigt eine Abbildung des erfindungsgemäßen Kontaktbauteils mit einer Klemmfeder einer Anschlussklemme.
Die Klemmfeder 20 weist zwei Schenkel auf, einen längeren Klemmschenkel 21 zum Verklemmen eines Leiters zwischen der Klemmfeder 20 und der starren Stromschiene 2, sowie einen kürzeren Abstützschenkel 22 zum Abstützen an einem starren Objekt, z.B. einer nicht-dargestellten Gehäusewandung einer elektrischen Anschlussklemme.
Die Klemmfeder 20 ist dabei Teil einer erfindungsgemäßen Anschlussklemme.
Optional, kann auch ein Kontaktstift 30, wie in Fig. 3 oder Fig. 4 dargestellt ist, Teil der Anschlussklemme sein, wobei der Kontaktstift 30 in an sich bekannter Weise aus dem nicht-dargestellten Gehäuse der Anschlussklemme hervorsteht. Der Kontaktstift 30 ist dabei zwischen den elektrischen Kontaktflächen 4 und 5 der Kontakttulpe 3 und der Stromschiene 2 angeordnet und bildet dort eine klemmende Halterung aus. Es ist auch möglich eine Rasthalterung anstelle der klemmenden Halterung vorzusehen.
Fig. 4 zeigt insbesondere auch die Auflage des elektrischen Leiters 40 zwischen der Klemmfeder 20 und der Stromschiene 2. Die Auflage des Leiters 40 erfolgt entlang einer Oberfläche, welche eine höhere Oberflächenrauigkeit aufweist, als die Kontaktfläche 7 zur Verklemmung und/oder Verrastung des Kontaktstiftes 30.
Dadurch wird eine bessere Zughemmung entgegen der Einsteckrichtung E des Leiters 40 erreicht. Der Vorsprung 13 verstärkt diese Zughemmung zusätzlich. Bezugszeichen
1 metallisches Kontaktbauteils
2 Stromschiene
3 Kontakttulpe
4 Ende (Stromschiene)
5 Ende (Stromschiene)
6 Ende (Kontakttulpe)
7 Kontaktfläche (geglättet)
8 Kontaktfläche (geglättet)
9 Ansatz
10 Einkerbung
11 Schlitz
12 Schlitz
13 Vorsprung
20 Klemmfeder
21 Klemmschenkel
22 Abstützschenkel
30 Kontaktstift
40 Leiter
DK Dicke (Kontakttulpe) = Mindestdurchmesser
Ds Dicke (Stromschiene) = Mindestdurchmesser
S Einsteckrichtung (Kontaktstift)
E Einsteckrichtung (Leiter)(1 )

Claims

Patentansprüche
1. Metallisches Kontaktbauteil (1 ) einer elektrischen Steckverbindung, insbesondere ein Buchsenkontakt zur Aufnahme eines Kontaktstifts (30) als Steckpartner, wobei das Kontaktbauteil (1 ) zumindest eine Stromschiene (2) und eine Kontakttulpe (3) umfasst, welche federnd an der Stromschiene (2) angeordnet ist und wobei die Stromschiene (2) und die Kontakttulpe (3) jeweils eine Kontaktfläche (7, 8) zur Kontaktierung mit einem Steckpartner aufweisen, welche einander zugewandt sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktbauteil (1 ) additiv gefertigt ist.
2. Metallisches Kontaktbauteil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Kontaktbauteil (1 ) monolithisch ausgebildet ist.
3. Metallisches Kontaktbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Kontaktbauteil (1 ) nahtfrei, insbesondere schweißnahtfrei, ausgebildet ist.
4. Metallisches Kontaktbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromschiene (2) in einem Querschnitt entlang ihrer Längsachse Poren aufweist.
5. Metallisches Kontaktbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere spezifische Dichte des Kontaktbauteils (1 ) weniger als 98%, vorzugsweise zwischen 93-97%, beträgt.
6. Metallisches Kontaktbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Kontaktbauteil (1 ) Bereiche mit unterschiedlichen mittleren Oberflächenrauigkeiten aufweist.
7. Metallisches Kontaktbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen (7 oder 8) als geglättete Bereiche, insbesondere mit einer Rauigkeit von weniger als 20% gegenüber der Rauigkeit von benachbarten Bereichen, ausgebildet sind.
8. Metallisches Kontaktbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Kontaktbauteil (1 ) eine Kup- fer-Chrom-Zirkon-Verbindung aufweist oder vorzugsweise daraus besteht. Metallisches Kontaktbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupfer-Chrom-Zirkon-Verbindung mehr als 50 Gew., vorzugsweise mehr als 60 Gew.%, vorzugsweise mehr als 65 Gew.%, Kupferanteil aufweist und besonders bevorzugt als Legierung ausgebildet ist. Metallisches Kontaktbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die restliche Oberfläche der Stromschiene (2) eine größere mittlere Oberflächenrauigkeit aufweist als im Bereich der Kontaktfläche (7). Metallisches Kontaktbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromschiene (2) Schlitze i(11 , 12) im Übergang zwischen Kontakttulpe (3) und Stromschiene (2) aufweist. Metallisches Kontaktbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromschiene (2) stiftartig, vorzugsweise als Mehrkantstift, besonders bevorzugt als Vierkantstift, insbesondere mit einem quadratischen Querschnitt, ausgebildet ist. Metallisches Kontaktbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromschiene (2) zumindest in Übergang zur Kontakttulpe (3) oder in einem daran angrenzenden Bereich dicker ausgebildet ist als die Kontakttulpe (3). Metallisches Kontaktbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromschiene (2) im Längsverlauf einen größeren mittleren Querschnitt aufweist als die Kontakttulpe (3) in deren Verlauf. Metallisches Kontaktbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromschiene (2) einen Vorsprung als Anschlag (13) für eine Klemmfeder (20) und/oder als Auszugshemmung eines Leiters aufweist. Metallisches Kontaktbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mindestdurchmesser (Ds) der Stromschiene (2) zumindest 0,85 mm vorzugsweise zumindest 0,9 mm, besonders bevorzugt zumindest 1 mm beträgt.
17. Metallisches Kontaktbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Kontaktbauteil (1 ) ausgebildet ist zur klemmenden Halterung eines Kontaktstifts (30).
18. Metallisches Kontaktbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Kontaktbauteil (1 ) ausgebildet ist zur rastenden Halterung eines Kontaktstifts (30).
19. Elektrische Anschlussklemme umfassend ein metallisches Kontaktbauteil (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, sowie eine Klemmfeder (20) zur Halterung eines elektrischen Leiters (40) in Verbindung mit dem Kontaktbauteil (1 ).
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