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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zur Präzisionsmontage
und Präzisionslagerung eines Bauteils auf einem Träger
bei einer Präzisionslötverbindung nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Präzisionsmontage
und Präzisionslagerung des Bauteils nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 9.
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Präzisionslötverbindungen
und -verfahren werden zum genauen Fügen von Bauteilen auf
einem Träger verwendet. Ein Beispiel dafür ist
die Fertigung von Hybridoptiken. Vorbestimmte Abschnitte des Trägers
und Teile des einzufügenden Bauteils werden zunächst
metallisiert. Anschließend wird das Bauteil auf der entsprechenden
Stelle des Trägers abgesetzt. An einer vorgesehenen Stelle
wird ein Lot aufgebracht und durch eine lokale Erwärmung
aufgeschmolzen. Dies erfolgt insbesondere durch einen gerichteten
Laserstrahl im Rahmen eines Laserlötens. Das erstarrende
Lot stellt anschließend eine Verbindung zwischen dem Bauteil
und der Kontaktfläche des Trägers her. Das Bauteil
ist damit stoffschlüssig mit dem Träger verbunden.
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Bei
der Anwendung derartiger Prözisionslötverfahren
tritt beim Aufheizen, Fließen und Erstarren des Lotes ein
Lötverzug auf. Dieser stellt eine prinzipielle Grenze für
die beim Fügen erreichbare Justagegenauigkeit der Bauteile
auf dem Träger dar. Der Lötverzug lässt
sich prinzipiell dadurch reduzieren, indem die Menge des eingesetzten
Lotes bzw. die Breite der Lötfuge zwischen dem Bauteil
und dem entsprechendem Trägerabschnitt reduziert wird.
Bei Positi onsgenauigkeiten im Bereich von einigen Mikrometern und
im Submikrometerbereich, die für Bauteile in hybridoptischen
Einsatzbereichen erforderlich sind, müssen die zur Verbindung
des Bauteils notwendigen Lötfugen Dicken aufweisen, die
ebenso einige Mikrometer oder und darunter betragen.
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Es
hat sich jedoch gezeigt, dass Lötverbindungen, deren Schichtdicke
im Submikrometerbereich liegt, technologisch schwierig zu handhaben sind
und oftmals eine nur ungenügende Qualität aufweisen.
So muss erstens eine hohe Oberflächengüte der
Kontaktbereiche von Bauteil und Träger sichergestellt sein.
Dies bringt einen verhältnismäßig großen
Bearbeitungsaufwand mit sich und ist mit den typischerweise verwendeten
Materialien für Bauteil und Träger, insbesondere
keramischen Werkstoffen, nicht ohne weiteres erreichbar. Als Folge
einer nicht hinreichenden Oberflächengüte treten
bei flächig anliegenden Fügeflächen mit
Luftspalten im Mikrometer- und Submikrometerbereich sehr häufig
Lunker oder Entnetzungen auf, die zum einen die Präzision der
Bauteiljustage zusätzlich beeinträchtigen und zum
anderen auch zu instabilen Lötverbindungen führen.
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Zum
Stand der Technik sei noch auf die
DE 102 40 355 A1 verwiesen, die ein Verbundbauteil
und Verfahren zur Herstellung eines derartigen Bauteiles betrifft.
Auch dort wird eine Lötverbindung ausgeführt,
wobei der Wärmeeintrag durch Induktion erfolgt.
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In
diesem Zusammenhang sei ergänzend auf die
DE 103 47 450 A1 , betreffend
Keramiksubstrate mit integrierten mechanischen Strukturen zum direkten
Fassen von optischen Bauelementen verwiesen. Die dort vorgesehenen
Bauelemente werden entweder durch Löten, d. h. stoffschlüssig
oder form- bzw. Kraftschlüssig durch Festklemmen, Rast-
oder Schnappverbindungen fixiert.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Problem einer Präzisionslagerung
eines Bauteils auf einem Träger so zu lösen, dass
die Montage des Bauteils auf dem Träger mit einer maximalen
Genauigkeit unter Anwendung des Präzisionstöten
erreichbar ist, ohne das die Dicke der Lötfuge extrem verringert
zu werden braucht. Die Montage des Bauteils und die dabei erzeugte
Verbindung zwischen Bauteil und Träger soll im Submikrometerbereich
genau und hinsichtlich der Verbindungsqualität fehlerfrei
sein.
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Die
Aufgabe wird vorrichtungsseitig durch eine Anordnung mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst. Weiterhin erfolgt das Lösen
der Aufgabe durch ein Verfahren zur Präzisionsjustage und
Präzisionslagerung gemäß der Lehre des
Anspruchs 9.
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Erfindungsgemäß zeichnet
sich die Anordnung zur Präzisionsmontage und Präzisionslagerung eines
Bauteils auf einem Träger bei einer Präzisionslötverbindung
dadurch aus, dass mindestens ein auf dem Träger angeordnetes,
im Eingriff mit dem Bauteil stehendes Fügeelement vorgesehen
ist. Das Fügeelement weist mindestens einen das Bauteil
gegen Verzugsbewegungen mechanisch sichernden Anlageabschnitt in
mechanischem Kontakt mit dem Bauteil stehend und einen von dem Anlageabschnitt räumlich
getrennten, vertieft angeordneten Verbindungsabschnitt auf, wobei
die Präzisionslötverbindung im Verbindungsabschnitt
zwischen Fügeelement und Bauteil ausgebildet ist.
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Grundgedanke
der erfindungsgemäßen Montageanordnung ist es,
den Bereich, in dem das Bauteil mechanisch gelagert ist räumlich
getrennt von dem Bereich auszubilden, in welchem sich die Präzisionslötverbindung
befindet.
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Der
Bereich der mechanischen Lagerung bildet den Anlageabschnitt, der
Bereich, an dem die Präzisionslötverbindung lokalisiert
ist, bildet den Verbindungsabschnitt. Beide Abschnitte sind als
Bestandteile eines auf dem Träger angeordneten Körpers,
dem Fügeelement, ausgebildet. Das Fügelement bildet
den Ort, in dem das Bauteil justiert und gelagert wird. Es dient
als Widerlager zur Verhinderung von Bewegungen des Bauteils infolge
des Lotverzuges.
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Diese
räumlich getrennte Anordnung der beiden Abschnitte hat
den entscheidenden Vorteil, dass die Dicke der Lotschicht im Verbindungsabschnitt hinreichend
groß gewählt werden kann. Dies sichert eine einwandfreie
Verbindung zwischen Bauteil und Fügeelement. Andererseits
wird der Lotverzug durch den mechanischen Kontakt zwischen Bauteil
und Fügeelement im Anlageabschnitt aufgefangen und verhindert.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung
besteht darin, dass die im konventionellen Fall durchweg nachteiligen
Effekte des Lotverzuges konstruktiv ausgenutzt werden können.
Indem das Lot im Verbindungsabschnitt schrumpft, wird das Bauteil
in den Anlageabschnitt gezogen. Der Anlageabschnitt wirkt dieser
Bewegung entgegenwirkt und es wird eine besonders stabile Verbindung
zwischen Bauteil und Fügeelement erreicht. Deren Maßtoleranzen
können über die Maße des Anlageabschnitts vorab
sehr genau vorgegeben werden.
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In
einer Ausführungsform ist das Fügeelement ein
massiver Körper mit einer Lötnut, wobei der mindestens
eine Anlageabschnitt ein im mechanischen Kontakt mit dem Bauteil
stehender Kontaktnutabschnitt und der Verbindungsabschnitt ein eine
Lotfuge zwischen Bauteil und Lötnut ausbildender Verbindungsnutabschnitt
ist.
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Die
Verwendung einer Lötnut oder entsprechenden Ausnehmung
erweist sich durch die Gestaltung der Nut mit deren vorragenden
und eingerückten Abschnitten als besonders günstig.
Die Ausbildung des Fügeelementes als massiver Körper
gewährleistet eine größtmögliche
Stabilität in Hinblick auf dessen Widerlagerfunktion.
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Der
Kontaktnutabschnitt ist bei einer Variante als eine im mechanischen
Kontakt mit dem Bauteil stehende Nutkante und der Verbindungsnutabschnitt als
ein eine Lotbrücke zwischen Nut und Bauteil ausbildender
Nutinnenbereich ausgebildet.
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Bei
einer weiteren Variante ist der Kontaktnutabschnitt als ein im mechanischen
Kontakt mit dem Bauteil stehender Nutinnenbereich und der Verbindungsnutabschnitt
als eine mit der Lotbrücke zwischen Bauteil und Nut verfüllte
Nutecke ausgeführt.
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Beide
Varianten sind der konkret vorliegenden Form des zu montierenden
Bauteils angepasst.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform ist das Fügeelement
als ein im wesentlichen prismatischer Körper mit einem
keilförmigen Abschnitt ausgebildet, wobei der Anlageabschnitt
durch eine im mechanischen Kontakt mit dem Bauteil stehende Spitze
des keilförmigen Abschnittes und der Verbindungsabschnitt
durch über die Präzisionslötverbindung
mit dem Bauteil verbundene Flanken des keilförmigen Abschnittes
gebildet ist.
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Bei
einer derartigen Ausführungsform wird das Bauteil mechanisch
auf der Spitze des Fügeelementes gehalten, während
die Lötverbindungen das Bauteil beim Erkalten und Schrumpfen
auf die Spitze ziehen.
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Das
Fügeelement weist bei einer vorteilhaften Ausgestaltung
einen zu dem mindestens einen Verbindungsabschnitt verlaufenden
Eintrittskanal für einen Lötlaserstrahl auf. Dadurch
wird das Ausführen eines Laserlötens erleichtert,
indem der Lötlaserstrahl durch den Körper des
Fügeelementes hindurch auf die Lötstelle gerichtet
werden kann.
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Das
Fügeelement ist zweckmäßigerweise so gestaltet,
dass es ausschließlich am Verbindungsabschnitt mit einem
Lot benetzbar ist. Dadurch wird verhindert, dass Lot aus dem Verbindungsabschnitt
heraustritt und nicht für eine Lötverbindung vorgesehene Teile
des Fügeelementes kontaminiert. Hierzu ist eine selektive
Metallisierung am Verbindungsabschnitt des Fügeelementes
vorteilhaft.
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Das
Verfahren zur Präzisionsjustage und Präzisionslagerung
eines Bauteils auf einem Träger bei einer Präzisionslötverbindung
zeichnet sich erfindungsgemäß durch folgende Verfahrensschritte
aus:
Es wird mindestens ein Fügeelement auf dem Träger angeordnet.
Das Bauteil wird in dem Fügeelement gelagert und justiert.
Hierzu wird ein verzugssicherer mechanischer Kontakt zwischen dem
Bauteil und einem Anlageabschnitt des Fügeelementes hergestellt.
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Anschließend
erfolgt ein Präzisionstöten des Bauteils innerhalb
eines von dem Anlageabschnitt räumlich abgeteilten Verbindungsabschnitts
des Fügeelementes. Beim abschließenden Erkalten
der Lötverbindung erfolgt ein Anpressen des Bauteils gegen den
Anlageabschnitt des Fügeelementes.
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Bei
einer zweckmäßigen Ausgestaltung des Verfahrens
wird in Vorbereitung des Präzisionstötens an dem
Verbindungsabschnitt des Fügeelementes eine selektive Metallisierung
ausgeführt. Damit wird verhindert, dass nicht vorgesehene
Bereiche des Fügeelementes mit Lot benetzt werden.
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Die
erfindungsgemäße Montageanordnung und das Montageverfahren
sollen nun anhand von Ausführungsbeispielen näher
erläutert werden. Zur Verdeutlichung dienen die beigefügten
Figuren. Es werden für gleiche oder gleich wirkende Teile
die selben Bezugszeichen verwendet.
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Es
zeigen:
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1a eine
erste Ausführungsform des Fügeelements mit einem
Bauelement und einem Träger in einer Seitenansicht;
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1b die
in 1a gezeigte Ausführungsform in einer
Draufsicht;
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2 eine
weitere Ausführungsform einer Lötnut in Verbindung
mit einem keilförmigen Bauteilabschnitt;
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3a eine
weitere Ausführungsform des Fügeelements mit einem
keilförmigen Abschnitt mit einem Bauelement und einem Träger
in einer Seitenansicht und
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3b die
in 3a gezeigte Ausführungsform in einer
Draufsicht.
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1a zeigt
in Verbindung mit 1b ein Bauelement 1 in
Form einer Linse in einem Hybridoptiksystem, zusammen mit einem
Träger 2 und einem quaderförmigen Fügeelement 3 in
einer Seitenansicht bzw. in einer Draufsicht. Das Fügeelement weist
eine Lötnut 3a auf, die funktionell in einen Anlageabschnitt 4 und
einen Verbindungsabschnitt 5 geteilt ist.
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Der
Anlageabschnitt 4 stellt einen ausschließlich
mechanischen Kontakt zwischen dem Bauelement 1, der hybridoptischen
Linse, und dem Quader des Fügeelementes 3 her
und dient einer Lagerung und Justierung des Bauelementes an der
Lötnut des Fügeelementes. Bei dem in 1a und 1b gezeigten
Ausführungsbeispiel dient eine Nutkante 7 der
Lötnut als Anlageabschnitt. Das Bauelement wird durch die
Nutkante gehalten und ist gegen Verschiebungen bzw. Verzugsbewegungen
gesichert.
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An
einem Verbindungsabschnitt 5 der Lötnut ist eine
Präzisionslötverbindung 6 angeordnet.
Bei dem in 1a und 1b gezeigten
Ausführungsbeispiel dient ein Nutinnenbereich 8 der
Lötnut 3a als Verbindungsabschnitt. Die Präzisionslötverbindung befindet
sich in einem Luftspalt zwischen dem Nutinnenbereich und dem Bauteil 1.
Der Luftspalt kann grundsätzlich mit einer Dicke ausgeführt
sein, der ein einfaches Einbringen des Lotes ermöglicht.
Der Nutinnenbereich 8 erfüllt keine Justage- und
Lagerungsfunktion und weist demzufolge keinen unmittelbaren mechanischen
Kontakt mit dem Bauteil auf.
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Das
Fügeelement 3 kann auf eine beliebige Weise mit
dem Träger 2 verbunden sein. Bei dem hier gezeigten
Beispiel ist zu diesem Zweck eine Lötverbindung 6a mit
dem Träger vorgesehen.
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Bei
dem Fügeelement in den 1a und 1b sind
eine Reihe von Eintrittskanälen 10 vorgesehen,
durch die ein Lötlaserstrahl 11 in Richtung der
Lötverbindungen eingestrahlt werden kann. Bei der hier
gezeigten Ausführungsform wird der Lötlaserstrahl
durch das Fügeelement hindurch rückseitig auf
die Lötverbindung geleitet. Der jeweilige Eintrittskanal
endet blind unmittelbar hinter einer zum Fügeelement zeigenden
Rückseite der Lötverbindung. Der eingestrahlte
Laserstrahl heizt dabei das auf dem Verbindungsabschnitt aufgebrachte
Lot indirekt auf. Eine direkte Aufheizung des Lotes ist jedoch ebenfalls
möglich.
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Zur
Montage wird das Bauteil zuerst in die Lötnut eingesetzt,
dabei wird es mechanisch an den Anlageabschnitten, in dem hier gezeigten
Fall den Nutkanten, eingeschoben, justiert und gehalten. Das Bauteil
ist dann gegen Verschiebungen in der Lötnut gesichert.
Eine Metallisierung 12 des Bauteils und eine im Verbindungsabschnitt
ebenfalls angeordnete Metallisierung sichert eine selektive Benetzung
von Bauteil und Lötnut mit dem nachfolgend eingebrachten
Lot.
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Das
Lot wird bei einem platzierten und justierten Bauteil von außen
in den Luftspalt zwischen Verbindungsabschnitt und Bauteil eingebracht
und bei Ausführen des Präzisionslötens
aufgeschmolzen. Hierzu wird insbesondere das Laserlöten
angewendet, wobei die erwähnten Einfallskanäle
zum Einkoppeln des Lasers genutzt werden.
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Beim
Erkalten und Erstarren zieht sich das Lot im Verbindungsabschnitt
zusammen. Dabei wird in dem hier gezeigten Beispiel das Bauteil
in Richtung des Nutinnenbereiches gezogen. Die Nutkanten verhindern
eine Verzugsbewegung des Bauteils und nehmen die durch den Schrumpfprozess
der Lötverbindung auftretenden Kräfte auf. Das
Bauteil ist dann verzugsfrei mit dem Fügeelement verbunden,
wobei das Schrumpfen der Lötverbindung zu einem verstärkten
Halt des Bauteils an den Nutkanten führt.
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Die
Lötnut kann auch mit einer keilförmigen Kontur
des Bauteils kombiniert sein, wie das in 2 dargestellte
Ausführungsbeispiel zeigt.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel sitzt eine Bauteilspitze 13 auf
dem Nutinnenbereich 8 auf und steht mit diesem in einem
mechanischen Kontakt. Der Nutinnenbereich bildet somit zusammen
mit der erwähnten Nutkante 7 den Anlageabschnitt 4 dieser Ausführungsform.
Der die Lötverbindung 6 enthaltene Verbindungsabschnitt 5 wird
bei diesem Beispiel durch eine Nutecke 9 gebildet. Ein
großer Vorteil einer derartigen Ausgestaltung ist der durch
die Flanken der Bauteilspitze mit der Lötnut gebildete
dreiecksförmige Luftspalt, der in sehr einfacher Weise verfüllt
werden und mit einem Lötlaser bestrahlt werden kann.
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3a und 3b zeigen
eine weitere Ausführungsform des Fügeelementes 3 und
eines dazu komplementären Bauelementes 1 in einer
Seitenansicht und Draufsicht. Das Fügeelement in dieser
Ausführungsform ist im wesentlichen prismatisch ausgeführt
und weist einen keilförmigen Abschnitt 14 auf, dessen
Fügeelementpitze 15 in einer Nut 14a des Bauteils
sitzt. Die Spitze bildet den Anlageabschnitt 4 des Fügelementes 3 bei
dieser Ausführungsform. Die Fügeelementflanken 16 des
keilförmigen Abschnitts 14 bilden mit der Bauteilnut 14a einen
Luftspalt aus, der mit einem Lot verfüllt ist. Die Flanken
bilden den Verbindungsabschnitt 5 des Fügeelementes 3 in
der hier gezeigten Ausführungsform.
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Das
Fügeelement besteht aus einem durch das Lot nicht benetzbaren
Werkstoff, insbesondere aus einer Keramik oder einem wärmebeständigen Kunststoff,
der vorzugsweise eine große Oberflächenhärte
aufweist. Zur Vorbereitung des Fügeelementes auf das Präzisionstöten
werden die jeweils vorgesehenen Verbindungsabschnitte vorhergehend mit
einer Metallisierung versehen. Hierzu können Vakuumdepositionsverfahren,
insbesondere Vakuumaufdampfverfahren zur Anwendung kommen. Für eine
exakte selektive Metallisierung der entsprechenden Abschnitte am
Fügeelement wird auf Beschichtungsmasken in Folienform
zurückgegriffen, mit denen das Fügeelement überdeckt
wird und die einen ausschließlich am vorgesehenen Abschnitt
erfolgenden Materialauftrag zulassen. Die Beschichtungsmaske wird
nach der Metallisierung entfernt.
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Zeitlich
parallel erfolgt eine Metallisierung des zu montierenden Bauteils,
beispielsweise einer Linse für eine hybridoptische Anordnung.
Hierzu kann ebenfalls auf eine Beschichtungsmaske zurückgegriffen
werden.
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Das
Fügeelement wird auf dem Träger fixiert. Hierzu
können Lötverfahren, aber auch andere Verfahren
angewendet werden, die eine genaue Positionierung des Fügeelements
auf dem Träger gewährleisten. Natürlich
ist auch die Positionierung mehrere Fügeelemente auf dem
Träger möglich, die gemeinsam eine Justageanordnung
für das später einzusetzende Bauteil bilden.
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Das
Bauteil, beispielsweise eine Flügellinse oder eine Linse
anderer Art für eine Hybridoptik, wird sodann in das oder
die Fügeelemente eingesetzt und in seiner Lage justiert.
Dabei greift das Bauteil in das oder die Fügeelemente ein
und wird durch deren Anlageabschnitte im mechanischen Kontakt gehalten und
ist gegen Verschiebungen gesichert.
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Der
Lotauftrag erfolgt entweder unmittelbar vor dem Einsetzen des Bauteils
im Bereich des oder der Verbindungsabschnitte des oder der Fügeelemente
oder an den Bauteilen selbst. Alternativ dazu kann das Lot in den
Luftspalt zwischen Bauteil und Verbindungsabschnitt beim fertig
justierten Bauteil über einen Lotdraht zugeführt
werden.
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Zum
Präzisionstöten kann auf die dabei üblichen
Lötverfahren, insbesondere das Laserlöten, zurückgegriffen
werden. Das Lot wird aufgeschmolzen und benetzt dabei die metallisierten
Bereiche im Verbindungsabschnitt und am Bauteil, wobei sich ein Meniskus
aus flüssigem Lot mit der Dicke des Luftspaltes herausbildet.
Das Lot dringt in den Luftspalt infolge von Kapillarkräften
ein und füllt den Luftspalt aus.
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Nach
der Entfernung der Wärmequelle, insbesondere nach Abschalten
des Lötlasers, erstarrt das Lot und die Lötstelle
zieht sich zusammen. Der mechanische Kontakt zwischen dem oder den
Anlageabschnitten des oder der Fügeelemente und dem Bauelement
wirkt jedoch einem Lotverzug entgegen. Das Zusammenziehen der Lötstelle
bewirkt stattdessen einen Pressdruck an der mechanischen Grenzfläche
zwischen Fügeelement und Bauelement und verstärkt
damit die haltende Wirkung des Fügeelementes. Die im Fügeelement
auftretende Wärmeausdehnung und die damit einhergehende
Dejustage des Bauelementes ist prinzipiell reversibel und bildet sich
somit nach dem Abkühlen der Lötverbindung vollständig
zurück.
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Die
erfindungsgemäße Montagevorrichtung und das Montageverfahren
wurden anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.
Im Rahmen fachmännischen Han delns können Abänderungen
an den gezeigten Ausführungsformen erfolgen, die im Bereich des
erfindungsgemäßen Grundgedankens liegen. Weitere
Ausführungsbeispiele ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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- 1
- Bauelement
- 2
- Träger
- 3
- Fügeelement
- 3a
- Lötnut
- 4
- Anlageabschnitt
- 5
- Verbindungsabschnitt
- 6
- Präzisionslötverbindung
- 6a
- Lötverbindung
mit dem Träger
- 7
- Nutkante
- 8
- Nutinnenbereich
- 9
- Nutecke
- 10
- Eintrittskanal
- 11
- Lötlaserstrahl
- 12
- Metallisierung
- 13
- Bauteilspitze
- 14
- keilförmiger
Abschnitt
- 14a
- Bauteilnut
- 15
- Fügeelementspitze
- 16
- Fügeelementflanke
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10240355
A1 [0005]
- - DE 10347450 A1 [0006]