DE202012013222U1

DE202012013222U1 - Kontaktelement

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Publication number: DE202012013222U1
Application number: DE202012013222.9U
Authority: DE
Original assignee: Tyco Electronics AMP GmbH
Current assignee: TE Connectivity Germany GmbH
Priority date: 2011-04-06
Filing date: 2012-04-02
Publication date: 2015-07-27
Anticipated expiration: 2022-04-03
Also published as: WO2012136614A2; HUE064083T2; JP2014516384A; US20170250513A1; CN103503239B; WO2012136614A3; EP3091617A3; KR20140027980A; EP3091617A2; MX2013011590A; DE102011006899A1; EP2695243A2; BR112013025030A2; US10862259B2; CN103503239A; JP6061308B2; KR101957457B1; US20140017393A1; EP3091617B1; US9667015B2

Abstract

Elektrisches Kontaktelement (30) mit einem Funktionsbereich (1), wobei der wenigstens eine Funktionsbereich auf eine Teilfläche des Kontaktelements beschränkt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Materialschicht (4) im Funktionsbereich (1) auf das Kontaktelement (30) mechanisch aufgebracht und anschließend eine hochenergetische Heizstrahlung (9) auf die wenigstens eine Materialschicht gerichtet wurde.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kontaktelement mit wenigstens einem Funktionsbereich, wobei der wenigstens eine Funktionsbereich auf eine Teilfläche des Kontaktelements beschränkt ist.
Derartige Kontaktelemente können Kontakte für Steckverbinder oder Schaltkontakte sein. Die Funktionsbereiche sind Oberflächenbereiche des Kontaktelements, die im Betrieb, wenn das Kontaktelement im jeweiligen elektrischen Bauteil verbaut ist, eine besondere Funktion ausüben. Funktionsbereiche sind beispielsweise Kontaktstellen, an denen ein Gegenkontakt das Kontaktelement mechanisch und elektrisch kontaktiert, Einlaufbereiche, entlang denen Gegenkontakte über die Oberfläche des Kontaktelements, beispielsweise beim Zusammenstecken von Steckverbindern fahren, Bereiche, an denen das Kontaktelement mit anderen Bauteilen in Kontakt steht und die korrosionsgefährdet sind, und Anschlussstellen für Crimp-, Löt- oder andere Verbindungen.
Die Kontaktelemente sind üblicherweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gefertigt. Sie werden üblicherweise mittels galvanotechnischer Verfahren vorwiegend im Banddurchlauf beschichtet. Bekannt ist insbesondere die galvanische Beschichtung der Kontaktelemente mit Metallen wie Gold, Silber, Palladium, Nickel und Zinn sowie mit Legierungen auf Basis dieser oder enthaltend diese Metalle.
Zinnkontakte können auch mittels einer Schmelztauchverzinnung hergestellt werden.
Bei beiden Verfahren ist die Auswahl der Werkstoffe, mit denen die Kontaktelemente beschichtet werden können, begrenzt. Bei den galvanotechnischen Verfahren lassen sich ferner Legierungen nicht beliebig abscheiden. Bei der Schmelztauchbeschichtung mit Zinn ist der Prozess durch die Prozesstemperatur der Schmelze limitiert. Bei beiden Verfahren lassen sich die Schichteigenschaften nachträglich nicht mehr oder nur sehr schwer verändern.
Die Herstellung mehrerer unterschiedlicher Funktionsbereiche, die im Hinblick auf ihre jeweilige Funktion optimiert sind, auf einem Kontaktelement ist nicht möglich.
Bei der Schmelztauchverzinnung besteht ein weiterer Nachteil darin, dass eine selektive Beschichtung flächenmäßig begrenzter Bereiche kaum möglich ist.
Bei den galvanotechnischen Verfahren können zwar begrenzte Beschichtungsflächen in der Größenordnung von einigen Millimetern durch Selektivtechnologien erzeugt werden. Die Erzeugung kleinerer Bereiche durch die selektive Galvanik ist technisch derzeit nicht möglich. Für die bei Kontaktelementen erforderlichen Funktionsbereiche ist diese Größenordnung überbemessen.
Bei Kontaktelementen aus der Schalttechnik werden die Kontaktstellen, beispielsweise die Kontaktnieten, separat gefertigt und anschließend an die Kontaktelemente gefügt. Die Kontaktstellen können dabei metallurgisch verarbeitet sein. Aufgrund der Toleranzen bei der Herstellung der Kontaktnieten sowie bei der Anbringung entstehen Ungenauigkeiten, die zu beträchtlichem Ausschuss führen können.
In Anbetracht der oben geschilderten Nachteile liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Kontaktelement bereitzustellen, das vorteilhaft hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird für das eingangs genannte Kontaktelement dadurch gelöst, dass wenigstens eine Materialschicht im Funktionsbereich auf das Kontaktelement mechanisch aufgebracht und anschließend eine hochenergetische Heizstrahlung auf die wenigstens eine Materialschicht gerichtet wird.
Durch das mechanische Aufbringen der Materialschicht lassen sich die Nachteile der galvanotechnischen Verfahren sowie der Schmelztauchverfahren wie beispielsweise der Schmelztauchverzinnung, vermeiden. Es muss nur dasjenige Material, das für die jeweilige Funktion des Funktionsbereichs erforderlich ist, an derjenigen Stelle, an der der Funktionsbereich erforderlich ist, aufgebracht werden. Die anschließende Bestrahlung ermöglicht die selektive und kontrollierte Änderung der mechanischen oder chemischen Eigenschaften der aufgebrachten Materialschicht.
Durch das mechanische Aufbringen der Materialschicht lassen sich die kostenintensiven Umweltauflagen der nasschemischen Verfahren vermeiden. Auch muss beim mechanischen Aufbringen weniger des teuren Materials in Form großer Schmelze- oder Galvanobäder vorgehalten werden. Dies wirkt sich besonders bei Materialschichten aus, die Edelmetalle enthalten.
Als hochenergetische Heizstrahlung wird im Folgenden insbesondere die Bestrahlung mit Elektronen oder Ionen sowie anderen atomaren oder subatomaren Teilchen angesehen. Auch Laser- und Röntgenstrahlen können als hochenergetische Heizstrahlung angesehen werden.
Durch die folgenden, voneinander unabhängigen, jeweils für sich vorteilhaften und beliebig miteinander kombinierbaren Merkmale kann die erfindungsgemäße Lösung weitergebildet werden.
So ist gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen, dass die wenigstens eine Materialschicht aufgedruckt wird. Hierbei können Drucktechniken wie beispielsweise Siebdruck, Tintenstrahldruck („Inkjet”), Tiefdruck, Stempeldruck oder ein Bedrucken direkt oder indirekt über Zwischenträger, beispielsweise Zwischenwalzen, zum Einsatz kommen. Der Aufdruck der funktionsrelevanten Materialschicht erfolgt vorzugsweise direkt auf das Basismaterial des Kontaktelements. Das Kontaktelement kann aber auch mit anderen Verfahren vorbeschichtet sein.
Die Materialschichten in dem Funktionsbereich können insbesondere aufgedruckt werden, wenn die Kontaktelemente noch nicht vereinzelt, sondern in Streifen- oder Bandform vorliegen.
Das Bedrucken erfolgt bevorzugt mit einer Genauigkeit von mindestens 0,1–1 mm, so dass die Funktionsbereiche exakt positioniert und/oder dimensioniert werden können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können zum Bedrucken metallhaltige Pasten eingesetzt werden. Die Pasten können Pulver, Mikro- und/oder Nanopartikel aus einer oder mehreren reinen Metallkomponenten, Kohlenstoff und/oder Metallverbindungen enthalten oder daraus bestehen. Insbesondere können die Metallpasten Metalle enthalten, die bislang für die Beschichtung von Kontaktstellen bei Kontaktelementen verwendet werden. Derartige Metalle sind beispielsweise Gold, Silber, Kupfer, Nickel, Zinn, Palladium, Platin und/oder Ruthenium.
Die zum Bedrucken eingesetzten Materialien, insbesondere Pasten, können zusätzliche Komponenten aus der Gruppe Titan, Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel, Zirkonium, Niob, Molybdän, Hafnium, Tautal und insbesondere Wolfram und auch Mischungen dieser zusätzlichen Komponenten enthalten.
Bevorzugt werden Metallverbindungen in der Materialschicht so gewählt, dass sie sich unter Einwirkung der hochenergetischen Heizstrahlung zum Metall reduzieren.
Die oben aufgeführten Grundkomponenten oder zusätzlichen Komponenten können auch in einer chemisch stabilen Verbindung mechanisch aufgebracht werden, wenn nichtmetallische Materialeigenschaften als funktionsrelevant für den Funktionsbereich angesehen werden. So kann beispielsweise die Grundkomponente oder zusätzliche Komponente in Form einer Metall-Kohlenstoff-Verbindung Me_yC_x, eines Metalloxids Me_yO_x oder einer Metall-Stickstoffverbindung, Me_yN_x zum mechanischen Aufbringen eingesetzt werden. Kohlenstoff kann in dem aufzubringenden Material in chemischen Konfigurationen wie Graphit, Diamant, Kohlenstoffnanoröhren, Graphen oder Fullerene vorliegen.
Die wenigstens eine Materialschicht kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung aufgesprüht werden. Insbesondere können dabei Pulver aufgesprüht werden. Durch Änderung der Strahlparameter können durch den Sprühvorgang Materialschichten erzeugt werden, deren Schichtdicke sich in Flächenrichtung ändert. Das Aufsprühen ist insbesondere für pulverförmige Legierungsmaterialien, wie beispielsweise den oben genannten zusätzlichen Komponenten geeignet. Überschüssiges Pulver kann einfach aufgefangen und zurückgeführt werden. Das Aufsprühen kann in den hochenergetischen Strahl erfolgen, so dass das aufgesprühte Material im Flug geschützt auf der Oberfläche aufbackt. Sprühen und Bestrahlen können synchron und intermittierend erfolgen, um das aufgesprühte Material zwischen den Strahlungsimpulsen erstarren und verfestigen zu lassen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die aufgebrachte Materialschicht aus einem Draht und/oder einer Folie bestehen, die bzw. der in den Heizstrahl beispielsweise kontinuierlich zugeführt und/oder auf das Basismaterial aufgelegt wird. Die Zuführung von Draht und/oder Folie in den Heizstrahl hat den Vorteil, dass Materialzufuhr und Schmelzvorgang in einem Schritt ausgeführt werden.
Durch das mechanische Aufbringen in einer der obigen Ausgestaltungen können insbesondere mehrere unterschiedliche Materialschichten über- und/oder nebeneinander angeordnet sein. Je höher die Auflösung des Auftragverfahrens ist, umso exakter lassen sich die Materialschichten zueinander positionieren.
Die einzelnen Materialschichten, die über- und/oder nebeneinander auf dem Kontaktelement aufgebracht werden, können aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Beispielsweise können unten liegende, näher am Basismaterial des Kontaktelements gelegene Materialschichten als Korrosionsschutz und/oder Diffusionssperre dienen, um darüberliegende Schichten chemisch gegenüber der darunterliegenden Schicht zu isolieren.
In dem mechanisch aufgebrachten, die Materialschicht bildenden Material können sich bei Bestrahlung oder nach einem vorgeschalteten Trocknungsschritt verflüchtigende Stoffe enthalten sein, die lediglich als Transportmedium für die oben aufgeführten Grund- oder Zusatzkomponenten sind.
Nach dem mechanischen Aufbringen wird erfindungsgemäß die Materialschicht durch die hochenergetische Heizstrahlung erwärmt. Die Erwärmung kann zu einer gegenüber dem mechanischen Aufbringen verstärkten Verbindung der oberen mit der unteren Materialschicht und/oder zu einer Änderung der chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften der aufgebrachten Materialschicht führen. Beispielsweise kann die bestrahlte Materialschicht unter der Wirkung der Heizstrahlung schmelzen oder in das Basismaterial des Kontaktelements eindringen und mit diesem eine Legierung oder eine eingefrorene Mischphase bilden. Auch können unterschiedliche Materialschichten an ihren Grenzflächen miteinander reagieren und an diesen Stellen gewünschte chemische Verbindungen bilden.
Damit der durch die Heizstrahlung durchgeführte Heizvorgang schneller nach dem mechanischen Aufbringen erfolgen kann, ist gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen, dass die Materialschicht nach dem mechanischen Aufbringen getrocknet wird. Dies erfolgt bevorzugt in einem Ofen. Während des Trocknens wird die Materialschicht bevorzugt auf eine Temperatur erhitzt, die unterhalb der Schmelztemperatur der niedrigstschmelzenden Komponente der wenigstens einen aufgebrachten Materialschicht und/oder der Weichglühtemperatur, bzw. einer Phasenübergangstemperatur, z. B. der Erweichungstemperatur des Basismaterials liegt.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn ein Einwirkbereich, in dem die hochenergetische Heizstrahlung auf das Kontaktelement bzw. den Funktionsbereich einwirkt und erhitzt, flächenmäßig höchstens die wenigstens eine Materialschicht umfasst. Dies kann durch eine Bündelung, Fokussierung und/oder ein Ausblenden der Heizstrahlung erfolgen, so dass sie in Form wenigstens eines Heizstrahls auf die Materialschicht trifft. Um größere Verarbeitungsgeschwindigkeiten zu erzielen, kann die Heizstrahlung auch in mehrere Heizstrahlen aufgeteilt werden, die gleichzeitig auf mehrere über das Kontaktelement verstreute Materialschichten gerichtet werden können.
Das Aufheizen der Materialschicht durch die hochenergetische Heizstrahlung erfolgt vorzugsweise punktuell mit einer Genauigkeit von unter 0,1 mm, so dass die Energiezufuhr hochgenau erfolgt. Der größte Durchmesser des Einwirkbereichs in der Fläche des Kontaktelements beträgt bei einer solchen Verfahrensführung weniger als 0,1 mm. Die kleinsten erzielbaren Durchmesser des Einwirkbereichs können etwa der Wellenlänge der hochenergetischen Strahlung entsprechen. Durch Aufweitung des Heizstrahls oder durch ein insbesondere rasterförmiges Abfahren der zu bestrahlenden Fläche mittels eines punktuell fokussierten Heizstrahls können auch größere Flächenbereiche bearbeitet werden.
Durch die hohe Auflösung wird erreicht, dass sich die Wärme in nur kleinen Gebieten auswirkt. So können gezielt Bereiche, deren Abmessungen im Bereich der Auflösung liegt, aufgeschmolzen oder erwärmt werden, um lokal auf diesen Bereich begrenzt die chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften zu ändern.
Die örtliche Erwärmung in der Materialschicht wird über die Energiedichte, die Beschleunigungsspannung, den Teilchenstrom sowie die Einwirkzeit der Heizstrahlung gesteuert. Diese Strahlparameter werden dabei in Abhängigkeit von der Lage des Einwirkbereichs und/oder der Materialzusammensetzung der sich momentan im Einwirkbereich befindlichen Materialschicht momentan geändert. Die Strahlparameter werden bevorzugt so gesteuert, dass in der vom momentanen Einwirkbereich erfassten Materialschicht wenigstens eine Komponente in den schmelzflüssigen Zustand gelangt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird durch die Heizstrahlung das Basismaterial des Kontaktelements allenfalls oberflächlich erwärmt und/oder angeschmolzen. Die Schmelztiefe beträgt dabei bevorzugt zwischen 0,05 μm und 20 μm.
Durch kontrollierte Änderung der Strahlparameter, beispielsweise in Abhängigkeit von der Dicke und/oder Zusammensetzung der vom jeweiligen Einwirkbereich erfassten Materialschicht kann die Schmelztiefe so gesteuert werden, dass eine gewünschte Anzahl von Grenzflächen zwischen aufeinanderliegenden Materialschichten und/oder zwischen der untersten Materialschicht und dem Basismaterial angeschmolzen wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens können die Strahlparameter der hochenergetischen Strahlung so eingestellt sein, dass die Tiefe, in der der maximale Energieeintrag stattfindet, gezielt eingestellt werden kann. Beispielsweise können die Parameter derart eingestellt sein, dass nur eine Grenzschicht zwischen Basismaterial und Materialschicht angeschmolzen wird, während die Oberfläche der Materialschicht nur leicht erwärmt wird. Bei hochenergetischer Partikelstrahlung, z. B. Elektronen-, Ionen- oder Atomstrahlung, kann das Einstellen der Tiefe des maximalen Energieeintrags durch die Steuerung der kinetischen Energie erfolgen. Bei hochenergetischer Strahlung mit Wellencharakter, z. B. bei Laser- oder Röntgenstrahlung, kann dies durch Steuerung oder Selektion der Frequenz erfolgen.
Außerdem lässt sich durch eine Anpassung der Strahlparameter eine Erwärmung der im Einwirkbereich sich befindlichen Materialschicht derart steuern, dass eine Erwärmung im thermischen Gleichgewicht erfolgt.
Durch das Aufheizen, insbesondere Aufschmelzen, der Materialschicht mittels des Heizstrahls, lässt sich die Materialschicht in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens verdichten und/oder entgasen. Ferner können Poren geschlossen und/oder Materialdefekte entfernt werden.
Außerdem lässt sich durch Steuerung der Strahlparameter die Abkühlgeschwindigkeit der im Einwirkbereich erwärmten mindestens einen Materialschicht steuern. So kann man durch eine allmähliche Verringerung des Energieeintrags ein allmähliches Abkühlen im thermischen Gleichgewicht oder durch ein plötzliches Verringern des Energieeintrags ein plötzliches Abkühlen der wenigstens einen Materialschicht erreichen.
Der Einwirkbereich mit einer typischen Abmessung von weniger als 0,1 mm ist wesentlich kleiner als das üblicherweise mehrere millimeter- bis zentimeter-große Kontaktelement. Die vom Einwirkbereich erwärmte Masse ist bevorzugt also wesentlich kleiner als die Masse des Kontaktelements. Die Erwärmung der wenigstens einen im Einwirkbereich erhitzten Materialschicht erfolgt also adiabatisch bzw. quasiadiabatisch, da die durch hochenergetische Heizstrahlung eingetragene Energie sehr viel größer als die im selben Zeitraum mittels Wärmeleitung abgeleitete Energie ist. Die Abkühlung erfolgt aufgrund der Größenverhältnisse zwischen Einwirkbereich und Kontaktelement so schnell, dass bei einem Ausschalten der Heizstrahlung die aufgeschmolzene Materialschicht im Einwirkbereich eingefroren wird. Somit lassen sich durch das erfindungsgemäße Verfahren amorphe, mikro- und/oder nanoskalige Gefüge in der Materialschicht erreichen. Derartige Gefüge sind chemisch inert und äußerst verschleißfest. Die adiabatische bzw. quasiadiabatische Erwärmung führt dazu, dass die thermische Wirkung der Heizstrahlung nur auf eng begrenzte Bereiche von der Größenordnung der Strahlauflösung beschränkt ist.
In einer Materialschicht können in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung unterschiedliche Gefüge erzeugt werden. Dies führt dazu, dass beispielsweise eine Materialschicht besonders harte und verschleißfeste Bereiche aufweisen kann, die an Bereiche mit Stellen des Funktionsbereichs angebracht sein können, an denen Gegenkontakte auf das Kontaktelement prallen, oder entlang des Kontaktelements reiben können.
Mit Hilfe der Heizstrahlung kann ferner eine Oberflächenstruktur auf der Materialschicht erzeugt werden. Beispielsweise kann eine Mikrostruktur in Form eines Rasterkontaktes erzeugt werden. Durch die Oberflächenstruktur lassen sich ferner die tribologischen Eigenschaften der obersten Materialschicht beeinflussen. Die Größe der mittels der Heizstrahlung eingeformten Strukturelemente beträgt bevorzugt weniger als 20 μm und liegt damit bevorzugt im mikroskopischen Bereich.
Somit lassen sich im Funktionsbereich in Bereichen gleichen Materials Bereiche mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften erzeugen. Diese unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften können, wie oben ausgeführt ist, durch die zeitliche und räumliche Änderung des Energieeintrags in die Materialschicht und Steuerung der Aufwärm- und Abkühlgeschwindigkeit und/oder der Temperatur im Einwirkbereich erzeugt werden, indem beispielsweise unterschiedliche Gefügestrukturen entlang der Flächenausdehnung der Materialschicht erzeugt werden.
Die hochenergetische Heizstrahlung kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung zur Bearbeitung eines Kontaktelements, das in Streifen- oder Bandform oder vereinzelt vorliegen kann, vor und/oder nach der Herstellung eines Funktionsbereichs verwendet werden. Beispielsweise können die hochenergetischen Strahlen aus derselben Strahlenquelle, wie sie für die Heizstrahlung eingesetzt wird, in Form von Elektronen- oder Ionenstrahlen zum Schneiden, Bohren, Härten und Biegen der Kontaktelemente verwendet werden.
Wird ein Elektronenstrahl als hochenergetische Heizstrahlung verwendet, so kann er in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung zur Visualisierung und Qualitätskontrolle mittels elektronenoptischer Bildverfahren eingesetzt werden. Dies kann während des Bearbeitungsvorganges oder danach in einem separaten Schritt erfolgen. Zur Visualisierung können beispielsweise rasterelektronenmikroskopische Verfahren eingesetzt werden.
Ein erfindungsgemäßes Kontaktelement wie eingangs genannt weist wenigstens einen Funktionsbereich auf, der mit wenigstens einer mechanisch aufgebrachten Materialschicht versehen ist.
Als Funktionsbereich kann eine Kontaktstelle vorgesehen sein, die einen Kontaktpunkt aus einer Materialschicht aufweist, die einen geringeren elektrischen Widerstand aufweist, als eine den Kontaktpunkt umgebende Materialschicht. Die den Kontaktpunkt umgebende Materialschicht kann eine höhere Korrosionsfestigkeit aufweisen als der Kontaktpunkt selbst. insbesondere können in der Materialschicht des Kontaktumgebungsbereichs unedlere Metallwerkstoffe enthalten sein als in der Materialschicht des Kontaktpunktes.
Der Funktionsbereich kann in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung als ein Anschlussbereich ausgestaltet sein, der das Anbringen von Lot- und/oder Crimpverbindungen erleichtern soll. Ein solcher Anschlussbereich kann beispielsweise eine mechanisch aufgebrachte, zinnhaltige Materialschicht aufweisen.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Die bei den einzelnen Ausführungsbeispielen unterschiedlichen Merkmale können nach Maßgabe der obigen Ausführungen miteinander kombiniert werden. Außerdem können nach Maßgabe der obigen Darstellung auch einzelne Merkmale bei den Ausführungsbeispielen weggelassen werden, sollte es im speziellen Anwendungsfall auf dem mit diesem Merkmal verbundenen Vorteil nicht ankommen.
Der Einfachheit halber sind im Folgenden bei den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen für Elemente, die hinsichtlich Aufbau und/oder Funktion ähnlich oder identisch sind, die selben Bezugszeichen verwendet.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens;
3 eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
4 eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte eines vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
5 eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte eines fünften Ausführungsbeispiels der Erfindung;
6 eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte eines sechsten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
7 eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte eines siebten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
8 eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte eines achten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
9 eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte eines neunten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
10 eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte gemäß einem zehnten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
11 eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte eines elften Ausführungsbeispiels der Erfindung;
12 eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte eines zwölften Ausführungsbeispiels der Erfindung;
13 eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte eines dreizehnten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
14 eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte eines vierzehnten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
15 eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte eines fünfzehnten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
16 eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte eines sechzehnten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
17 eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte eines siebzehnten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
18 eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte eines achtzehnten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
19 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kontaktelements während seiner Herstellung;
20 ein Detail XX der 19;
21 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kontaktelements während seiner Herstellung;
22 ein Detail XXII der 21.
Zunächst wird die Erfindung anhand des in 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben.
1 zeigt ein Verfahren, mit dem wenigstens ein Funktionsbereich 1 eines Kontaktelements 2 hergestellt wird. Bei dem Funktionsbereich 1 handelt es sich um einen flächenmäßig auf einen Teil der Oberfläche 3 des Kontaktelements 2 beschränkten Bereich, der bei verbautem Kontaktelement 2 eine besondere Funktion übernimmt. Der Funktionsbereich 1 ist beispielsweise eine Kontaktstelle, an der ein Gegenkontakt (nicht gezeigt) anliegt und über den im Betrieb elektrische Ströme fließen sollen. Der Funktionsbereich 1 kann auch ein Anschlussbereich sein, mit dem beim verbauten Kontaktelement 2 ein Leiter fest verbunden ist, beispielsweise durch Crimpen oder Löten. Der Funktionsbereich 1 kann sich auch durch eine bei verbauten Kontaktelement 2 hohe mechanische Oberflächenbelastung von dem übrigen Bereich der Oberfläche 3 des Kontaktelements 2 unterscheiden. Beispielsweise kann das Kontaktelement 2 beweglich gelagert sein, so dass an den Lagerstellen ein erhöhter Oberflächenverschleiß zu befürchten ist. Ähnliches gilt für Bereiche, an denen sich andere Bauteile am Kontaktelement abstützen.
Wie 1 zeigt, ist im Funktionsbereich 1 wenigstens eine Materialschicht 4 vorhanden.
Der Funktionsbereich 1 kann hergestellt werden, wenn das Kontaktelement 2 noch nicht vereinzelt ist und noch in Form eines Band- oder Streifenmaterials 5 vorliegt, aus dem es dann durch Stanzen oder Schneiden vereinzelt wird. Alternativ kann der Funktionsbereich 1 auch bei bereits vereinzelten Kontaktelementen 2 hergestellt werden. Das Kontaktelement 2 bzw. das Bandmaterial 5 sind bevorzugt aus einem homogenen Basismaterial 6 gefertigt, insbesondere Kupfer oder eine Kupferlegierung. Vor der Fertigung des Funktionsbereichs 1 kann das vereinzelte oder in Form des Bandmaterials 5 vorliegende Kontaktelement 2 schon beschichtet worden sein, beispielsweise mit Nickel oder Zinn.
In 1 ist die Fertigung eines Funktionsbereichs 1 lediglich beispielhaft mit Bezug auf ein in einer Vorschubrichtung 7 an einer lediglich schematisch dargestellten Fertigungsstation 8 mit einer Strahlungsquelle 8' vorbeitransportiert. Der Vorschub des Bandmaterials 5 kann kontinuierlich oder intermittierend erfolgen.
Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel kann die Herstellung des Funktionsbereichs 1 schematisch in vier Verfahrensschritten A, B, C, D erfolgen. Die Verfahrensschritte A bis D sind in 1 lediglich der Anschaulichkeit halber nebeneinander dargestellt. Tatsächlich können die einzelnen Verfahrensschritte an in Richtung des Bandvorschubs 7 aufeinander folgenden Stationen und/oder an ein und derselben Stelle bei stillstehendem Bandmaterial 5 oder mit einer mit dem Bandmaterial 5 mit bewegten Fertigungsstation 8 erfolgen. Insbesondere kann auch die Richtung der hochenergetischen Heizstrahlung 9 so mit dem Bandvorschub synchronisiert werden, dass bei kontinuierlichem Bandvorschub die Heizstrahlung auf nur einen Funktionsbereich gerichtet bleibt.
In einem ersten Verfahrensschritt A wird die Materialschicht 1 auf das Basismaterial 6 mechanisch aufgebracht. Dies erfolgt insbesondere durch Aufdrucken, beispielsweise mit Siebdruck, ”Inkjet”-Druck, Tiefdruck, oder einem direkten oder über Zwischenträger indirekten Stempeldruck. Als Zwischenträger können beispielsweise Zwischenwalzen eingesetzt werden.
Die Zusammensetzung der Materialschicht 1 ist an die Funktion des Funktionsbereichs 1 und die sich aus dieser Funktion ergebenden, geforderten mechanischen Eigenschaften angepasst. Insbesondere kann die Materialschicht 4 aus einer druckbaren, metallhaltigen Paste aufgebaut sein. Die Paste kann Pulver, Mikro- und/oder Nanopartikel aus einer oder mehreren reinen Metallkomponenten, Kohlenstoff und/oder Metallverbindungen enthalten.
Ist der Funktionsbereich 1 eine Kontaktstelle, so sind typische Grundkomponenten für die Materialschicht Gold, Silber, Kupfer, Nickel, Zinn, Palladium, Platin und/oder Ruthenium. Diese Metalle können insbesondere die Grundkomponente der druckbaren Metallpasten bilden.
Ferner kann die Materialschicht 4 Zusatzkomponenten aufweisen, insbesondere Titan, Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt, Niob, Zirkonium, Nickel, Molybdän, Tantal und/oder Wolfram und/oder Mischungen dieser Zusatzkomponenten. Metallverbindungen in der gemäß Verfahrensschritt A aufgedruckten Materialschicht 4 werden so gewählt, dass sie sich in den nachfolgenden Verfahrensschritten chemisch zu Metall reduzieren können.
Die Materialschicht 1 kann auch nichtmetallische Eigenschaften aufweisen bzw. nichtmetallische Stoffe enthalten. Eine nichtmetallische Charakteristik der Materialschicht kann auch durch eine chemisch stabile Metallverbindung erhalten werden, die die Grundkomponente der Materialschicht 4 darstellt. Beispielsweise kann die Materialschicht 4 aufgebaut sein aus oder enthalten: eine Metall-Kohlenstoff-Verbindung in der Form Me_yC_x, ein Metalloxid in der Form Me_yO_x und/oder eine Metall-Stickstoff-Verbindung in der Form Me_yN_x, wobei als Metalle eine oder mehrere der oben aufgeführten Grund- und/oder Zusatzkomponenten in Frage kommen. Kohlenstoff in der Materialschicht 4 kann beim mechanischen Aufbringen in chemischen Konfigurationen wie Graphit, Diamant, Kohlenstoffnanoröhren, Graphen oder Fullerenen vorliegen.
Das Bedrucken im Verfahrensschritt A erfolgt mit einer hohen Ortsauflösung, d. h. mit einer hohen Genauigkeit. Die Positioniergenauigkeit und/oder die kleinsten Abmessungen einer mechanisch aufgebrachten bzw. aufgedruckten, punktförmigen Materialschicht 4 betragen bevorzugt unter 0,1 mm. Auch größere Flächen können zusammenhängend aufgedruckt werden.
Im nächsten Verfahrensschritt B wird eine hochenergetische Heizstrahlung 9 von der Strahlungsquelle 8' auf die Materialschicht 4 bzw. den Funktionsbereich 1 gerichtet.
Bei der hochenergetischen Strahlquelle handelt es sich insbesondere um eine Teilchenstrahlung, wie beispielsweise eine Elektronen- oder Ionenstrahlung oder eine Strahlung aus anderen subatomaren Teilen, es kann aber auch Strahlung mit Wellencharakter, wie z. B. Laser- oder Röntgenstrahlung benutzt werden.
Die hochenergetische Heizstrahlung 9 ist vorzugsweise durch eine Vorrichtung 10 gebündelt, fokussiert oder abgeschirmt, so dass nicht mehr als der jeweilige Funktionsbereich 1 mit seiner wenigstens einen Materialschicht 4 bestrahlt wird.
Bevor die hochenergetische Heizstrahlung 9 auf die wenigstens eine Materialschicht im Funktionsbereich 1 gerichtet wird, kann ein nicht dargestellter Trocknungsschritt erfolgen, in dem die mechanisch aufgebrachte bzw. aufgedruckte Materialschicht 4 getrocknet wird. Zur Beschleunigung der Trocknung wird vorzugsweise ein Ofen genutzt. Die Trocknungstemperatur liegt dabei bevorzugt unter der Weichglühtemperatur bzw. einer Phasenübergangstemperatur, z. B. der Erweichungstemperatur des Basismaterials 6 und bevorzugt auch unterhalb der Schmelztemperatur der niedrigstschmelzenden Komponente in der wenigstens einen Materialschicht 4.
Im Verfahrensschritt B erwärmt sich mit zunehmender Einwirkdauer die Materialschicht 4, bis sie, im Verfahrensschritt C, schmilzt. Der Energieeintrag der hochenergetischen Heizstrahlung 9 kann dabei so gesteuert sein, dass eine Grenzfläche 11 zwischen dem Basismaterial 6 und der Materialschicht 4 ebenfalls anschmilzt. Damit findet eine innige Verbindung an der Grenzfläche 11 zwischen Basismaterial 6 und Materialschicht 4 statt.
Anschließend wird die hochenergetische Heizstrahlung 9 abgeschaltet oder von der gerade aufgeschmolzenen Materialschicht 4 weggelenkt, so dass diese abkühlt.
Nach der Abkühlung, im Verfahrensschritt D, liegt eine fest mit dem Basismaterial 6 verbundene Materialschicht 4 vor. Die Dimensionierung der Materialschicht 4 bzw. des Funktionsbereichs 1 ist aufgrund des mechanischen Aufbringverfahrens sehr genau. Aufgrund der Bestrahlung ändert sich diese Dimensionierung und Positionierung über die Verfahrensschritte A bis D nicht, so dass die Genauigkeit des Aufbringverfahrens beibehalten wird.
Da die hochenergetische Heizstrahlung 9 nur in einem gegenüber dem gesamten Kontaktelement 2 sehr kleinen Einwirkbereich 12 wirkt, der flächenmäßig im Wesentlichen auf den Strahlquerschnitt 13 und eine geringe Wirktiefe, die sich vorzugsweise nur etwa 0,05 μm bis 20 μm in das Basismaterial 6 erstreckt, begrenzt ist, findet die Erwärmung des Einwirkbereichs 12 unter adiabatischen bzw. quasiadiabatischen Bedingungen statt. Aufgrund der großen Masse insbesondere des Basismaterials 6 erfolgt die Abkühlung so schnell und ruft einen so steilen Wärmeabfuhrgradienten hervor, dass eingefrorene Gefügezustände mit insbesondere amorphen, mikro- oder nanoskaligen Gefügen vorliegen.
Das Aufheizen der Materialschicht 1 im Einwirkbereich 12 wird über die Parameter der hochenergetischen Heizstrahlung 9 bzw. des durch die Vorrichtung 10 gebündelten Heizstrahls 15 gesteuert. Die Strahlparameter werden dabei in Abhängigkeit von den geometrischen Eigenschaften der Materialschicht 4, wie beispielsweise deren Dicke und Aufbau und/oder den Materialeigenschaften der Materialschicht 4, wie deren Dichte, thermische Leitfähigkeit, den Schmelzpunkten der einzelnen Komponenten, eingestellt.
Für das in 1 dargestellte Verfahren können die in Tabelle 1 angegebenen Strahlungsparameter eingestellt werden, wenn die hochenergetische Heizstrahlung 9 eine Elektronenstrahlung mit einem Strahldurchmesser von 100 μm ist. Grundsätzlich sind Strahldurchmesser von 0,2 μm bis 1 cm denkbar, bevorzugt von 20 μm bis 1 mm. Hierbei sind Strahldurchmesser sinnvoll, die größer als die beabsichtigte Schmelztiefe sind.

Für einen Strahlquerschnitt 13 mit einem Strahldurchmesser von 100 μm lassen sich Wirktiefen 14 zwischen 1 μm und 5 mm erreichen. Tabelle 1

Strahlungsparameter	Wert
Einwirkzeit	0,1–1000 Mikrosekunden
Strahlablenkgeschwindigkeit	1–10³ m/s
Leistungsdichte	1–10¹⁰ W/mm², bevorzugt 10²–10⁶ W/mm²
Beschleunigungsspannung	1–100 kV
Elektronenstrom	0,1–100 mA
Gesamtleistung	1–1000 (5000) Watt
Heizrate	10⁴–10¹⁰ K/s

Die hochenergetische Heizstrahlung 9 kann impulsartig auf den Funktionsbereich 1 gerichtet sein, was beispielsweise bei einem intermittierenden Bandvorschub 7 sinnvoll ist. Dann wird der Funktionsbereich 1 von der Strahlungsquelle 8' gezielt angestrahlt, wenn er sich unter dieser, also im Beispiel der 1 unter der Fertigungsstation 8 befindet.
Eine Änderung des Energieeintrags kann nicht nur durch eine Änderung der Strahlungsenergie und/oder Strahlungsenergiedichte, sondern auch dadurch erfolgen, dass die Strahlungsimpulsdauer oder die Zeitspannen zwischen Strahlungsimpulsen verändert werden. So kann die in einer Materialschicht 4 enthaltene Wärmeenergie erhöht werden, wenn die Zeitspanne zwischen Strahlungsimpulsen verkürzt wird.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens. Im Verfahrensschritt A werden mehrere Materialschichten 4a, 4b, 4c nebeneinander aufgebracht. Lediglich beispielhaft sind in 2 drei Materialschichten nebeneinander angeordnet.
Die Materialschichten 4a, 4b, 4c können aus gleichen oder unterschiedlichen Materialien zusammengesetzt sein. Aufgrund der hohen Genauigkeit des Druckverfahrens sind die Materialschichten 4a, 4b, 4c exakt nebeneinander gesetzt. Ein Abstand 16 zwischen den Materialschichten entspricht in etwa der Genauigkeit des Aufbringverfahrens, die im Idealfall abstandslos ist, in der praktischen Umsetzung vorzugsweise schlechtestens 0,1 mm beträgt.
Die Materialschichten 4a, 4b, 4c sind Teil eines zusammenhängenden Funktionsbereichs 1.
Im Verfahrensschritt B wird wieder die hochenergetische Heizstrahlung 9 auf die drei Materialschichten 4a, 4b, 4c gerichtet. Durch eine vorzugsweise veränderliche bzw. steuerbare Maske 17, die Teil der Vorrichtung 10 sein kann, und/oder ein definiertes Strahllayout, beispielsweise ein durch ein Beugungsgitter 17' erzeugtes Beugungsbild sowie durch eine programmierte Ablenkung des Strahls, lässt sich die Größe und Form des Strahlquerschnitts 13 sowie die Energieverteilung über den Strahlquerschnitt 13 vorzugsweise veränderlich einstellen. Somit ist die hochenergetische Strahlung 9 auch bei diesem Ausführungsbeispiel auf den Funktionsbereich 1 beschränkt.
Sind die Materialschichten 4a, 4b, 4c aus unterschiedlichen Materialien aufgebaut, so erfolgt die Bestrahlung mit der hochenergetischen Heizstrahlung 9 in einem ersten Bestrahlungsschritt zunächst mit einem Energieeintrag, der die am schnellsten schmelzende Materialschicht, hier sind dies die beiden Materialschichten 4a, 4c, schmelzen lässt. Insbesondere kann in diesem Bestrahlungsschritt wenigstens ein Strahlimpuls auf den gesamten Funktionsbereich 1 gerichtet sein, der die beiden schnell schmelzenden Materialschichten 4a, 4c sofort schmilzt. Die entsprechend einzustellenden Strahlungsparameter sind oben in Tabelle 1 angegeben.
Nach dem Ausschalten der hochenergetischen Strahlung 9 am Ende des Verfahrensschrittes B erstarren die beiden zuvor aufgeschmolzenen Materialschichten 4a, 4c.
In einem zweiten Bestrahlungsschritt, dem Verfahrensschritt C, wird erneut hochenergetische Strahlung 9 auf den Funktionsbereich 1 gerichtet. Die hochenergetische Strahlung 9 ist dabei auf diejenigen Bereiche fokussiert, die im vorangegangenen Bestrahlungsschritt noch nicht aufgeschmolzen werden konnten, weil sie zum Schmelzen mehr Energie benötigen. Im Verfahrensschritt C werden nunmehr diese Bereiche aufgeschmolzen. Um den Einwirkbereich 12 auf die nicht geschmolzene Materialschicht 4b zu beschränken, kann im Zuge des kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Bandvorschubs 7 der Funktionsbereich 1 unter einer weiteren Fertigungsstation 8 positioniert werden, die einen entsprechenden, auf die Grundfläche der aufzuschmelzenden Materialschicht 4b angepassten Strahlquerschnitt erzeugt. Alternativ kann auch die Maske 17 und/oder eine Vorrichtung 10, so verändert werden, dass sich der Strahlquerschnitt 13 ändert. Aufgrund der adiabatischen bzw. quasiadiabatischen Verfahrensführung wirkt sich die Wärmezufuhr jenseits des Einwirkbereichs 12, dessen Grundfläche dem Strahlquerschnitt 13 entspricht, nicht aus.
Sind nach dem Verfahrensschritt C noch weitere, nicht aufgeschmolzene Materialschichten vorhanden, kann der nächste Bestrahlungsschritt analog durchgeführt werden, wobei nunmehr der Strahlquerschnitt 13 auf die Grundfläche der noch verbleibenden Materialschicht(en) angepasst wird. Dies kann solange wiederholt werden, bis sämtliche Materialschichten aufgeschmolzen sind.
Im Verfahrensschritt D liegt dann ein Funktionsbereich 1 mit nebeneinander liegenden, aufgeschmolzenen und erstarrten Materialschichten 4a, 4b, 4c vor. Die physikalischen Eigenschaften dieser Materialschichten hängen von ihrer Materialzusammensetzung ab.
Durch das Aufschmelzen können beim mechanischen Aufbringen entstehende Lücken 18 zwischen den nebeneinander liegenden Materialschichten 4 eingeebnet werden, so dass eine glattere Oberfläche entsteht.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 3 ist das Verfahren dahingehend abgewandelt, dass nunmehr zwei Materialschichten 4a und 4b eines Funktionsbereiches übereinander angeordnet sind. Lediglich beispielhalber sind in 3 lediglich zwei übereinanderliegende Materialschichten 4a, 4b gezeigt. Die Anzahl der übereinanderliegenden Materialschichten ergibt sich im Übrigen aus den Anforderungen an die Eigenschaften des Funktionsbereichs 1.
Wie 3 zeigt, kann die untere Materialschicht 4a eine größere Grundfläche aufweisen als die obere Materialschicht 4b. Insbesondere überragt die untere Materialschicht 4a vorzugsweise ringsum die obere Materialschicht 4b, so dass eine der hochenergetischen Strahlung 9 ausgesetzte Schulter 19 entsteht. Die Schulter ist bevorzugt nicht kleiner als der kleinste Strahlendurchmesser 13.
Die Materialschichten 4a, 4b können aus unterschiedlichen Materialien aufgebaut sein, so dass sie zum Schmelzen unterschiedliche Energien und/oder Temperaturen benötigen.
Die weiteren Verfahrensschritte B bis D entsprechen weitgehend den Verfahrensschritten des Verfahrens gemäß 2: zunächst wird hochenergetische Heizstrahlung 9 auf den gesamten Funktionsbereich 1 gerichtet, wobei der Energieeintrag auf das Maß beschränkt wird, das notwendig ist, um die zuerst schmelzende Materialschicht, bevorzugt ist dies die untere Materialschicht 4a, zu schmelzen. Die hochenergetische Strahlung kann wieder in Form eines Impulses erzeugt werden.
Der Strahlquerschnitt 13 im Verfahrensschritt B entspricht der Grundfläche der untersten Schicht 4a. Nach Abschalten der hochenergetischen Strahlung 9, am Ende des Verfahrensschritts B, erstarrt die Materialschicht 4a.
Im Verfahrensschritt C wird erneut hochenergetische Strahlung 9 auf den Funktionsbereich 1 gerichtet. Der Strahlquerschnitt 13 ist dabei auf die noch nicht aufgeschmolzene(n) Materialschicht(en) beschränkt, die auf der bereits aufgeschmolzenen Materialschicht liegen. Durch die lokal begrenzte Zufuhr von Strahlungsenergie wird nur die obere Materialschicht 4b aufgeschmolzen, wobei sich die Einwirktiefe 14 in die Grenzfläche 11 zwischen den Materialschichten 4a, 4b erstreckt.
Liegen noch weitere, im Verfahrensschritt C noch nicht aufgeschmolzene Materialschichten über der Materialschicht 4b vor, kann dieser Schritt mit einem an die Grundfläche dieser Materialschichten angepassten Strahlquerschnitt wiederholt werden.
Am Ende, im Verfahrensschritt D, liegt ein Funktionsbereich 1 mit mehreren aufeinander liegenden Schichten vor, deren physikalische Eigenschaften von der jeweiligen Materialzusammensetzung abhängen.
Die untere Schicht 4a kann beispielsweise eine Korrosions- oder Diffusionsschutzschicht sein, die entweder eine chemische Isolation zwischen der oberen Materialschicht 4b und dem Basismaterial 6 bewirkt, oder die das Basismaterial 6 gegen Korrosion in dem Bereich um die Materialschicht 4b schützt, beispielsweise nach Art einer Opferanode.
Da die hochenergetische Strahlung 9 auf einen sehr kleinen Bereich fokussiert werden kann, der kleinste Strahlquerschnitt 13 entspricht etwa der Wellenlänge der hochenergetischen Strahlung 9, kann der Strahlquerschnitt 13 und damit der Einwirkbereich 12 sehr genau eingestellt werden.
In 4 ist eine Abwandlung des Verfahrens der 3 dargestellt.
Die Verfahrensschritte A bis C in 4 entsprechen den Verfahrensschritten A bis C der 1. Im Verfahrensschritt D wird auf die bereits vorhandene bereits schon erwärmte und/oder aufgeschmolzene Materialschicht 4 eine weitere Materialschicht 4a mechanisch aufgebracht, beispielsweise aufgedruckt. Auch hier ermöglicht die hohe Auflösung des mechanischen Aufbringverfahrens die exakte Positionierung der Materialschicht 4a auf der darunter liegenden Materialschicht 4. Anschließend wird im Verfahrensschritt E die Materialschicht 4a mit Hilfe der hochenergetischen Strahlung 9 erwärmt und/oder aufgeschmolzen, so dass im Ergebnis wieder ein aus zwei übereinander liegenden Materialschichten 4, 4a aufgebauter Funktionsbereich 1 erhalten wird. Werden weitere Materialschichten benötigt, so können die Verfahrensschritte D und E wiederholt werden.
Das in 4 gezeigte Verfahren eignet sich insbesondere für obere Materialschichten 4a, die die untere Materialschicht vollständig abdecken. Die Strahlungsparameter für jede neu aufgebrachte obere Materialschicht 4a werden in Abhängigkeit von den geometrischen und/oder Materialeigenschaften der Materialschicht 4a eingestellt, um die untere Materialschicht 4 nur bis zur gewünschten Einwirktiefe 14 aufzuschmelzen.
In 5 ist eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens gezeigt. Dabei überragt die obere Materialschicht 4b die untere Materialschicht 4a flächenmäßig.
Die Verfahrensschritte entsprechen dabei weitestgehend den Verfahrensschritten nach 1. Vorzugsweise werden die beiden Materialschichten 4a, 4b gleichzeitig mechanisch auf das Basismaterial 6 aufgebracht. Im folgenden Verfahrensschritt B werden in einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens die Strahlparameter der hochenergetischen Strahlung 9 so eingestellt, dass beide Materialschichten 4a, 4b gleichzeitig geschmolzen werden. Durch den Schmelzvorgang in Verfahrensschritt C bedeckt die obere Materialschicht 4b die untere Materialschicht 4a vollständig und isoliert sie von äußeren Einflüssen, wie zum Beispiel Korrosion.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine mechanisch aufgebrachte Materialschicht 4 in einem lokal eng begrenzten und innerhalb der Ortsauflösung des Aufbringverfahrens genauen Bereich in den Basiswerkstoff 6 oder eine unter der Materialschicht 4 liegende, weitere Materialschicht einlegiert oder mit diesem bzw. dieser mittels Konvektion im flüssigen Zustand vermischt und eingefroren werden. Dies ist kurz mit Bezug auf die 6 erläutert.
Im Verfahrensschritt A wird zunächst wieder eine Materialschicht 4 mechanisch aufgebracht und anschließend, im Verfahrensschritt B, der hochenergetischen Strahlung ausgesetzt.
Die Strahlungsparameter sind dabei bevorzugt so gewählt, dass sich die Materialschicht 4 und das darunter liegende Basismaterial 6 nur langsam erwärmen und abkühlen und außerdem eine hohe Einwirktiefe 14 erreicht wird.
Falls die Materialschicht 4 Materialien enthält oder aus Materialien besteht, die mit dem Basismaterial 6 legierbar sind, diffundieren die Legierungsbestandteile der Materialschicht 4 aufgrund der Erwärmung durch die hochenergetischen Heizstrahlung 9 in das Basismaterial 6, so dass ein sich im Basismaterial 6 befindlicher legierter Bereich 20 entsteht. Je nach Abkühlgeschwindigkeit können unterschiedliche Gitterstrukturen des legierten Bereichs 20 erhalten werden. Ein plötzliches Ausschalten der hochenergetischen Strahlung 9 bewirkt beispielsweise ein nahezu sofortiges Abkühlen und damit ein Einfrieren der Gitterzustände. Dies führt zu einer Härtung des legierten Bereichs 20 und einer entsprechend harten, verschleißfesten Oberfläche.
Bei einer nicht mit dem Basismaterial legierbaren Materialschicht 4 oder bei einer mit dem Basismaterial 6 legierbaren Materialschicht 4, bei der die Diffusionsgeschwindigkeit in das Basismaterial 6 nicht ausreichend hoch ist, wird diese Materialschicht 4 zusammen mit einem Teil des Basismaterials 6 mittels der hochenergetischen Strahlung 9 so stark erhitzt, dass beide schmelzen und sich durch Konvektion im flüssigen Zustand vermischen. Die entstehende Mischphase wird durch Entfernen der hochenergetischen Strahlung so schnell abgekühlt, dass ihre Gefügestruktur einfriert und stabil bleibt.
7 zeigt beispielhaft, wie aus einer einzelnen, bevorzugt homogen aufgedruckten Materialschicht 4 ein Funktionsbereich 1 hergestellt wird, der Bereiche 21a, 21b, 21c mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften aufweist.
Zunächst wird im Verfahrensschritt A die Materialschicht 4 mechanisch aufgebracht. Anschließend wird die hochenergetische Heizstrahlung 9 auf einen Teilbereich der Materialschicht 4 gerichtet. Der Einwirkbereich 12 ist entsprechend auf diesen Teilbereich beschränkt. Aufgrund der hohen Auflösung und starken Fokussierbarkeit der hochenergetischen Strahlung 9 kann der Strahlquerschnitt 13 bzw. die Ausdehnung des Einwirkbereichs 12 exakt an die konstruktiven Vorgaben, beispielsweise der Größe des Teilbereichs, angepasst werden.
Soll im Verfahrensschritt B beispielsweise ein Bereich geringer Härte in der Materialschicht 4 erzeugt werden, so werden die Strahlungsparameter der hochenergetischen Heizstrahlung 9 bevorzugt so eingestellt, dass die hochenergetische Heizstrahlung 9 mit geringer Leistung über eine lange Einwirkzeit auf den herzustellenden Bereich 21a gerichtet wird. Der Energieeintrag durch die hochenergetische Strahlung 9 in den Einwirkbereich 12 wird über die Zeit zudem so variiert, dass der Einwirkbereich 12 nach dem Aufschmelzen nur langsam abkühlt, so dass sich thermische Spannungen abbauen und die Abkühlung im thermischen Gleichgewicht oder nahe dem thermischen Gleichgewicht erfolgt.
Anschließend wird der Strahl 15 über die Materialschicht 4 in einen anderen Teilabschnitt bewegt, um dort einen Teilbereich mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften zu erzeugen. Im Verfahrensschritt C der 7 wird der Strahl 15 hierzu in einen angrenzenden Bereich 21b bewegt. Anstelle einer Strahlbewegung kann alternativ auch ein neuer Strahl erzeugt werden, beispielsweise indem das Bandmaterial 5 im Zuge der Vorschubbewegung 7 unter eine neue Fertigungsstation 8 (nicht gezeigt) bewegt wird.
Aufgrund der exakten Positionierbarkeit des Strahls 15 mit einer Genauigkeit von bevorzugt unter 0,1 mm kann der Bereich 21b exakt relativ zum bereits vorhandenen Bereich 21a angefahren werden. In diesem Bereich kann beispielsweise eine große Härte erzielt werden, indem mit hoher Strahlleistung über eine kurze Einwirkzeit ein schnelles Erhitzen und Abkühlen des Einwirkbereichs 12 erzeugt wird. Die Bereiche 21a, 21b können unmittelbar aneinander angrenzen.
In nachfolgenden Verfahrensschritten D können weitere Bereiche mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften erzeugt werden. Beispielsweise kann im Verfahrensschritt D ein weiterer Teilbereich 21c der Materialschicht 4 mit im Vergleich zu den Teilbereichen 21a und 21b wiederum unterschiedlichen Strahlungsparametern bestrahlt werden, um wiederum unterschiedliche Härten zu erzielen. Auch andere physikalische Eigenschaften lassen sich durch die Steuerung der Aufheiz- und Abkühlungsgeschwindigkeit einstellen, wie beispielsweise die Festigkeit, Duktilität, Leitfähigkeit oder Korrosionsbeständigkeit.
Wie 8 zeigt, kann das erfindungsgemäße Verfahren auch dazu verwendet werden, vorgegebene Oberflächenstrukturen zu schaffen. Dabei können mikroskopische Oberflächenstrukturen in einer Größenordnung von bevorzugt unter 20 μm erzeugt werden.
Hierzu wird in einem Verfahrensschritt A eine Materialschicht 4 auf das Basismaterial 6 mechanisch aufgetragen. Anschließend wird ein Strahl 15 aus hochenergetischer Strahlung 9 auf einen Teilbereich der Materialschicht 4 fokussiert. Der Teilbereich bestimmt sich aus dem Querschnitt 13 des Strahls 15 und der Einwirktiefe 14. Der Querschnitt 13 des Strahls 15 ist dabei bevorzugt nicht größer als die kleinste zu erzeugende Oberflächenstruktur. Der Strahl 15 wird rasterförmig über die Materialschicht 4 bewegt, während die Strahlungsparameter, beispielsweise bei aufeinanderfolgenden Strahlungsimpulsen mit den in der Tabelle 2 angegebenen Strahlungsparameter, verändert werden.
Die Oberfläche lässt sich beispielsweise strukturieren, wenn zunächst mit einer auf eine Tiefenwirkung eingestellten Strahlungsparametern die Materialschicht 4 über die gesamte Tiefe, z. B. nach einem der obigen Verfahren, und anschließend an derselben Stelle zusätzlich Material durch auf Oberflächenwirkung eingestellte Strahlungsparameter an- oder abgeschmolzen, oder auch abgedampft wird. Dabei kann sich das freiwerdende oder ausgeworfene Material am Rand des Einwirkbereichs 12 absetzen, wodurch der betroffene Bereich kraterförmig aussieht. Bei einem Verfahren mit kontinuierlicher Relativbewegung zwischen hochenergetischer Strahlung und Materialschicht 4 können so Furchen entstehen.
Ist die gesamte Oberfläche der Materialschicht 4 mit dem Strahl 15 abgerastert, so erhält man einen Funktionsbereich 1 mit einer Oberflächenstruktur 22.
Die Tiefen- und Oberflächenwirkung der in der Tabelle 1 angegebenen Strahlungsparameter ist mit Bezug auf die 9 und 10 erläutert. Wird gemäß 9 bei einer aufgebrachten Materialschicht 4 hochenergetische Strahlung 9 mit beispielsweise geringer Beschleunigungsspannung, also geringer Energie, über eine kurze Einwirkzeit eingetragen, so erhält man eine nur geringe Einwirktiefe 14. Ein Aufschmelzen findet in erster Linie im Bereich der Oberfläche der Materialschicht 4 statt.
Legt man dagegen, wie in 10 gezeigt ist, eine mittlere Beschleunigungsspannung an, so erhält man eine höhere Einwirktiefe 14, weil die hochenergetische Strahlung tiefer in das Basismaterial 6 eindringen kann. Das Basismaterial 6 wird auch in großer Tiefe noch aufgeschmolzen und verbindet sich mit der ebenfalls aufgeschmolzenen Materialschicht 4.
Das in 8 beschriebene, rasterartige Abfahren der Materialschicht 4 mit einem nur einen Teilbereich der Materialschicht 4 erfassenden Strahl 15 kann ergänzend oder als Alternative zu dem in den 1 und 3 dargestellten Verfahren verwendet werden. Dies ist kurz mit Bezug auf die 11 und 12 erläutert.
Die im Verfahrensschritt A der 11 aufgebrachte Materialschicht 4 wird in einem Teilbereich vom Strahl 15 aus hochenergetischer Strahlung 9 erfasst. Der Einwirkbereich 12 erstreckt sich folglich nur über einen Teil der Materialschicht 4. Der Strahl 15 kann nun kontinuierlich entlang eines Bewegungsrasters 23 über die Materialschicht 4 bewegt werden. Alternativ wird der Strahl 15 impulsartig auf verschiedene, rasterförmig angeordnete Punkte auf der Materialschicht 4 gerichtet.
Im Zuge dieser Rasterbewegung liegen aufgeschmolzene und bereits mit dem Basismaterial 6 verschmolzene oder verlötete Bereiche 24 der Materialschicht unmittelbar neben noch ungeschmolzenen Bereichen.
Ist die gesamte Oberfläche der Materialschicht 4 erfasst worden, liegt im Verfahrensschritt D dasselbe Ergebnis vor wie im Verfahrensschritt D der 1.
In 12 ist der Verfahrensschritt B der 3 durch ein rasterförmiges Bestrahlen der Schulter 19 der unteren Materialschicht 4a eines Funktionsbereichs 1 ersetzt. Wie durch den Pfeil 25 angedeutet ist, wird der Strahl 15 rasterartig entlang der Schulter 19 geführt, so dass diese vollständig erfasst und abgeschmolzen wird. Dabei sind die Strahlungsparameter so eingestellt, dass eine große Einwirktiefe 14 erzielt wird. Sind in oberen Schichten weitere Schultern 19 vorhanden, so kann der Verfahrensschritt B wiederholt werden. Ansonsten wird das Verfahren mit den Verfahrensschritten C und D, wie sie bereits bei 3 beschrieben sind, fortgesetzt. Die Strahlungsparameter der hochenergetischen Strahlung 9 bzw. des Strahls 15 sind dabei in Abhängigkeit von den geometrischen und Materialeigenschaften der nunmehr bestrahlten Materialschicht 4b gegenüber dem Verfahrensschritt B abgeändert. Auch hier kann ein impulsartiger Strahl 15 verwendet werden, der nacheinander auf die einzelnen Rasterpunkte gerichtet wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich nicht nur, wie bei 7 geschildert, in einer homogen aufgebrachten Materialschicht 4 nebeneinander Bereiche mit unterschiedlichen Eigenschaften erzeugen. Wie 13 zeigt, können in einer ursprünglich homogen aufgebrachten Materialschicht 4 auch übereinander liegende Schichten mit unterschiedlichen Eigenschaften erzeugt werden.
Hierzu werden zunächst die gesamte im Verfahrensschritt A aufgebrachte Materialschicht 4 und die darunter liegende Grenzfläche 11, hier lediglich beispielhalber die Grenzfläche zwischen der Materialschicht 4 und dem Basismaterial 6, aufgeschmolzen. Der Strahl 15 kann dabei rasterförmig und punktuell über die Materialschicht 4 geführt werden oder die gesamte Materialschicht 4 gleichzeitig bestrahlen. Die Strahlungsparameter im Verfahrensschritt C können insbesondere auf eine große Einwirktiefe 14 eingestellt sein. Gleichzeitig ist der zeitliche Energieeintrag im Verfahrensschritt B durch die Strahlung 9 so bemessen, dass die jeweils aufgeschmolzenen Bereiche plötzlich abkühlen und somit der Gefügezustand eingefroren ist. An diesen Härtungsprozess schließt sich im Verfahrensschritt C ein erneutes Aufheizen der Materialschicht 4 an, wobei die Strahlungsparameter der Strahlung 9 so eingestellt sind, dass eine nur geringe Einwirktiefe 14 erreicht wird, die nur einen Teil einer Dicke 26 der Materialschicht 4 beträgt. Der zeitliche Energieeintrag im Verfahrensschritt C durch die Strahlung 9 kann so gesteuert werden, dass die Abkühlung in diesem Bereich langsamer erfolgt, so dass eine duktilere obere Schicht 4b auf einer harten unteren Schicht 4a entsteht. Oberhalb der Schicht 4b kann durch einen weiteren optionalen Verfahrensschritt (nicht gezeigt) eine weitere Schicht mit unterschiedlichen mechanischen Härteeigenschaften erzeugt werden, wenn die Strahlungsparameter entsprechend den Verfahrensschritten B (härtere Schicht) oder C (duktilere Schicht) eingestellt werden.
Alternativ können im Verfahrensschritt B die Strahlungsparameter so eingestellt werden, dass die Tiefe des maximalen Energieeintrages an der Grenzfläche 11 liegt. Bei Partikelstrahlen kann dies durch die Steuerung der kinetischen Energie der Teilchen erfolgen. Bei hochenergetischer Heizstrahlung 9 mit Wellencharakter kann dies durch Steuerung oder Selektion der Wellenlänge erfolgen. Dadurch kann erreicht werden, dass nur die Materialschicht 4a schmilzt, während die Materialschicht 4b nur leicht erwärmt wird.
Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit der zum mechanischen Aufbringen vorzugsweise verwendeten Metallpasten und der im Vergleich zur Materialschicht 4 sehr großen Masse des ebenfalls hochwärmeleitfähigen Basismaterials 6 beeinträchtigt das nochmalige Erhitzen der oberen Materialschicht 4b im Verfahrensschritt C die mechanischen Eigenschaften der unteren Materialschicht 4a nicht. Die Wärme wird so schnell von der oberen Materialschicht 4b in das Basismaterial 6 abgeleitet, dass eine Erwärmung benachbarter Bereiche nicht oder nur im vernachlässigbaren Maße stattfindet.
In 14 ist schematisch dargestellt, wie mit zwei getrennten Strahlen 15', 15'' oder einem in zwei Teilstrahlen 15' und 15'' geteilten Strahl in einem Verfahrensschritt B zwei voneinander beabstandete Funktionsbereiche 1', 1'', die in einem Verfahrensschritt A mit jeweiligen Materialschichten 4a und 4b bedruckt wurden, gleichzeitig bestrahlt werden können. Auf diese Weise werden in einem Verfahrensschritt in größerem Abstand voneinander angeordnete Funktionsbereiche 1' und 1'' erzeugt.
In 15 ist schematisch dargestellt, wie eine Materialschicht 4 durch Aufsprühen mittels eines Sprühwerkzeugs 28 mechanisch auf das Basismaterial 6 aufgebracht werden kann. Der Sprühstrahl 29 kann dabei auf den Einwirkbereich 12 der hochenergetischen Strahlung 9 gerichtet sein. Im Strahl 15 schmilzt die aufgesprühte Pulvermischung, die eine Material- und Partikelverteilung aufweisen kann, und trifft in Tropfenform auf das angeschmolzene Basismaterial 6, mit dem es sich verbindet. Die weiteren Pulverschichten verschmelzen mit den darunterliegenden Pulverschichten, so dass Schicht für Schicht aus dem Sprühstrahl 29 aufgebaut werden kann. Nicht vom Strahl 15 erfasstes Pulver kann aufgefangen und wiederverwendet werden. Die hochenergetische Heizstrahlung 9 kann gepulst sein, so dass bevorzugt nur die obere Materialschicht 4 immer wieder aushärten kann.
Mit dem in 15 schematisch dargestellten Verfahren lässt sich ein höhenkonturierter Funktionsbereich 1 erzeugen, bei dem die Materialschicht 4 in Flächenrichtung unterschiedliche Höhen aufweist. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der Strahl 15 bei kontinuierlich betriebenem Sprühwerkzeug 28 rasterförmig über die Grundfläche des Funktionsbereichs 1 bewegt wird. Je länger der Strahl 15 an einer Stelle verweilt, umso mehr Pulver backt an dieser Stelle an und umso höher wird die Materialschicht 4 an dieser Stelle. Anschließend kann die Funktionsschicht 1 nach einem der oben beschriebenen Verfahren weiter bearbeitet werden, beispielsweise mit dem in 11 gezeigten Verfahren zur Herstellung von Schichten mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften.
Durch Aufsprühen können auch nebeneinander oder übereinander liegende Materialschichten 4 aus unterschiedlichen Materialien aufgebaut werden, wenn die Konsistenz des Sprühstrahls 29 zeitlich geändert wird.
Wie in 16 und 17 gezeigt ist, kann das mechanische Aufbringen der Materialschicht 4 auch durch Auflegen eines Drahtes 4' oder einer Folie 4'' (nicht gezeigt) erfolgen. Im folgenden Verfahrensschritt B können die Strahlparameter der hochenergetischen Heizstrahlung 9 so eingestellt werden, dass der Draht nur teilweise schmilzt und sich mit dem Basismaterial 6 verbindet, wie in 16 gezeigt. Alternativ können die Strahlparameter, wie in 17 gezeigt, derart eingestellt werden, dass der aufgelegte Draht vollständig schmilzt und die resultierende geschmolzene Materialschicht ein eher flaches Profil aufweist. Mit dem in 16 schematisch dargestellten Verfahren lässt sich eine Materialschicht 4 erzeugen, deren Höhenprofil entlang der Flächenrichtung variiert.
Insbesondere kann der Draht 4' oder die Folie 4'' in die hochenergetische Heizstrahlung 9 oder den von der hochenergetischen Heizstrahlung 9 erfassten Einwirkbereich 12 eingebracht werden, wie in 18 dargestellt ist. Der Materialauftrag kann punktuell erfolgen oder auch linienförmig oder flächig, wobei der Nachschub von Draht 4' bzw. Folie 4'' von einer Rolle stammen kann.
Mit Bezug auf die 19 bis 22 sind im Folgenden Ausführungsbeispiele für Kontaktelemente beschrieben, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Funktionsbereiche 1 aufweisen.
Bei dem in Vorschubrichtung 7 bewegten Bandmaterial 5 werden zunächst die Funktionsbereiche 1 nach einem oder mehreren der oben beschriebenen Verfahren erzeugt.
Anschließend wird, vorzugsweise mit der hochenergetischen Heizstrahlung 9, die bereits zur Herstellung der Funktionsbereiche 1 verwendet wurde, das Kontaktelement 30 aus dem Bandmaterial 5 geschnitten.
Die hochenergetische Heizstrahlung 9 kann neben dem Schneiden auch zu weiteren Bearbeitungsschritten des Kontaktelements 30 oder des Bandmaterials 5 eingesetzt werden, wie beispielsweise zum Härten des Basismaterials 6 sowie zum Bohren und Schweißen. Die Linie 31, entlang der das Kontaktelement 30 durch den hochenergetischen Strahl 9 (nicht gezeigt) herausgeschnitten wird, ist in 19 gestrichelt dargestellt.
Das Kontaktelement 30 weist, lediglich beispielhaft, zwei unterschiedliche Typen 32, 33 von Funktionsbereichen 1 auf. Ein erster Funktionsbereich 1 dient als Anschlussbereich 32 für in weiteren Bearbeitungsschritten noch anzubringende Crimpverbindungen. Bei dem Kontaktelement 30 handelt es sich um eine Kontaktfeder für einen Buchsenkontakt.
Der Anschlussbereich 32 ist mit einer großflächigen, homogenen Materialschicht 4, die bevorzugt Zinn enthält oder aus Zinn besteht, beschichtet.
Die weiteren Funktionsbereiche 1 sind Kontaktstellen 33, die aus wenigstens zwei Materialschichten 4a, 4b aufgebaut sind.
In 20, die das Detail XX der 19 vergrößert darstellt, ist der Aufbau einer Kontaktstelle 33 deutlich zu erkennen. Die Materialschicht 4a bildet einen Kontaktpunkt 34 der Kontaktstelle 33. Am Kontaktpunkt 34 kontaktiert beim verbauten Kontaktelement 30 ein Gegenkontakt das Kontaktelement 30. Bei dem dargestellten Kontaktelement 30 für einen Buchsenkontakt erfolgt die Kontaktbewegung senkrecht zur Ebene des Kontaktelements 30 auf die Kontaktstelle 33 zu, so dass der Kontaktpunkt 34 eine hohe Schlag- und Verschleißfestigkeit aufweisen sollte, um viele Steckzyklen unbeschadet zu überstehen.
Die Materialschicht 4b umgibt die Materialschicht 4a und bildet einen Kontaktumgebungsbereich 35. Die Materialschicht 4a kann neben oder auf der Materialschicht 4b angebracht sein, wie dies beispielsweise in den 2, 3, 12 dargestellt ist.
Der Kontaktumgebungsbereich soll die Korrosion des Basismaterials 6 um und/oder unter dem Kontaktpunkt 34 bzw. die Korrosion des Kontaktpunktes 34 vermeiden. Die Materialschicht 4b kann daher mit einem im Vergleich zum Basismaterial 6 und der Hauptkomponente der Kontaktstelle 33 unedlerem Metall dotiert sein., insbesondere kann dafür eine dünne Schichtdicke gewählt werden, da in diesem Bereich kein Materialabtrag im Zuge der Benutzung wie beim Einlaufbereich zu erwarten ist.
Der Funktionsbereich an der Kontaktstelle 33 kann aus einer oder mehreren Materialschichten aufgebaut sein, die aus einem hartbaren Material bestehen. Im Bereich des Kontaktpunktes 34 kann wenigstens eine Schicht gehärtet sein und an eine nicht gehärtete bzw. eine Schicht mit geringerer Härte und größerer Duktilität angrenzen, wie dies beispielsweise in 7 gezeigt ist. Im Kontaktumgebungsbereich 35 kann die Materialschicht 4 wie in 2 und 7 dargestellt mit anderen Strahlungsparametern behandelt sein und folglich andere physikalische Eigenschaften als im Kontaktpunkt 34 aufweisen. Auf diese Weise lässt sich eine hohe Schlagzähigkeit mit gleichzeitig hoher Verschleißfestigkeit erreichen.
Die Materialschichten 4a, 4b bestehen bevorzugt aus unterschiedlichen Materialien. Die den Kontaktpunkt 34 bildende Materialschicht 4a weist einen gegenüber dem Kontaktumgebungsbereich 35 verringerten elektrischen Widerstand und eine erhöhte Schlagfestigkeit auf.
In 21 ist ein Bandmaterial 5 gezeigt, aus dem mittels der hochenergetischen Strahlung 9 (nicht gezeigt), Kontaktelemente 30 für einen Steckverbinder herausgeschnitten werden. Die Linie 31 zeigt schematisch die Außenkontur der Kontaktelemente, die in einem nachfolgenden Bearbeitungsschritt in ihre endgültige Form gebogen werden.
Bei dem in 21 dargestellten Kontaktelement sind wiederum lediglich beispielhaft zwei unterschiedliche Typen 32, 33 von Funktionsbereichen 1 dargestellt. Der eine Funktionsbereich 1 dient als Anschlussbereich 32 zum Anlöten von elektrischen Leitern. Er entspricht bis auf seine Außenkontur im Wesentlichen dem Aufbau des Anschlussbereichs 32 der 19. Der andere Funktionsbereich 1 dient als Kontaktstelle 33, bei der jedoch der Aufbau und die Anordnung der Materialschichten 4 im Hinblick auf die unterschiedliche mechanische Beanspruchung im Betrieb optimiert ist.
22 zeigt als Detail XXII eine Kontaktstelle 33 des Kontaktelements 30.
Der die Kontaktstelle 32 bildende Funktionsbereich 1 weist demnach drei Materialschichten 4a, 4b, 4c auf. Die Materialschichten 4a, 4b, 4c liegen bevorzugt nebeneinander. Die Materialschichten 4a, 4b sind aus demselben Material beispielsweise nach dem Verfahren gemäß 6, gefertigt. Die Materialschicht 4c ist von der Materialschicht 4b umgeben und weist eine von der Materialschicht 4c unterschiedliche Zusammensetzung auf.
Die Materialschicht 4a bildet einen Einlaufbereich 36 der Kontaktstelle 33, in der ein Gegenkontakt beim Herstellen einer Steckverbindung gegen das Kontaktelement 30 auftrifft. In diesem Bereich ist es von Vorteil, wenn die Materialschicht eine erhöhte Verschleiß- und Schlagfestigkeit aufweist, ähnlich dem Kontaktpunkt 34 der 19 und 20. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Materialschicht 4a nach dem Verfahren gemäß 13 erzeugt wurde und beispielsweise eine gehärtete Schicht auf einer weicheren Schicht aufweist. Insbesondere kann dieser Einlaufbereich auch aus elektrisch isolierenden Materialien bestehen, wenn in diesem Einlaufbereich 36 kein Stromfluss erwünscht oder notwendig ist.
Im Betrieb des Kontaktelements 30 wird der Gegenstecker im Zuge der Steckbewegung über einen Einlaufbereich 36 in einer Steckrichtung 39 über die Kontaktstelle 32 geführt. Der Materialbereich 4b im Einlaufbereich 36 ist dabei tribologisch optimiert. Er kann beispielsweise in Steckrichtung 39 verlaufende Oberflächenstrukturen 22 aufweisen, die den Gegenstecker führen. Er kann zudem oder alternativ mit Materialien dotiert sein, die eine Schmierung bewirken. Beispielsweise können in die Materialschicht 4b Mikropartikel mit guten Schmiereigenschaften, wie Graphit, eingebettet oder in einer Matrix aufgesprüht sein.
In Steckrichtung 39 schließt sich an den Kontaktsteckbereich 37 die Kontaktstelle 38 an, die entsprechend dem Kontaktpunkt 34 der 20 aus einer oder mehreren Materialschichten mit geringen Leitungs- und Übergangswiderständen aufgebaut ist. Zusätzlich kann die Kontaktstelle 38 mit einer Oberflächenstruktur versehen sein, die zu einer erhöhten Reibung führt, so dass der Gegenkontakt sicherer gehalten ist und eventuelle Oxidschichten durch geringen Oberflächenabtrag entfernt werden.
Falls in einer der Materialschichten 4a, 4b, 4c der Kontaktstelle 33 Materialien enthalten sind, die mit dem Basismaterial 6 reagieren können, kann eine Zwischenschicht vorgesehen werden, die die Materialien des Einlaufbereichs 36 des Kontaktsteckbereichs 37 und der Kontaktstelle 38 von dem Basismaterial elektrisch isoliert.
Die hochenergetische Strahlung 9 kann zur Qualitätskontrolle eingesetzt werden, indem beispielsweise ein rasterelektronenmikroskopisches Bildgebungsverfahren für Geometrie- und Materialkontrast zur Kontrolle der hergestellten Funktionsbereiche eingesetzt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren in seinen oben dargestellten, beliebig, auch nur in Teilen miteinander kombinierbaren Varianten ist im Gegensatz zu den nasschemischen Verfahren gut umweltverträglich. Aufgrund der exakten Positionier- und Dimensionierbarkeit der Materialschichten wird nur soviel Material verbraucht, wie tatsächlich zur Herstellung des Funktionsbereichs benötigt wird.
Das Verfahren ermöglicht es, klassisch nicht herstellbare Kontaktmaterialien und -materialkombinationen zu verwenden, die die Produkteigenschaften bei vermindertem Materialeinsatz verbessern. Es ist ferner möglich, amorphe Mikro- und Nanogefüge sowie eingefrorene Mischphasen von nicht-legierbaren Materialien herzustellen und verschiedene Materialfunktionen unmittelbar nebeneinander darzustellen, wie beispielsweise eine gute elektrische Kontaktierung, einfache Lötbarkeit, Korrosions- und Verschleißschutz.
Die Materialschichten können strukturiert, konturiert und in ihren mechanischen Eigenschaften beeinflusst werden und dies nur über Teilbereiche.
Schließlich sind hohe Fertigungsgeschwindigkeiten möglich und die hochenergetische Strahlung kann gleichzeitig für weitere Bearbeitungsschritte und zur Qualitätskontrolle eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste

1: Funktionsbereich
2: Kontaktelement
3: Oberfläche
4: Materialschicht
4a–4c: unterschiedliche Materialschichten
4': Draht
4'': Folie
5: Bandmaterial
6: Basismaterial
7: Bandvorschub
8: Fertigungsstation
8': Strahlungsquelle
9: hochenergetische Heizstrahlung
10: Vorrichtung zum Bündeln der hochenergetischen Strahlung
11: Grenzfläche
12: Einwirkbereich
13: Strahlquerschnitt
14: Einwirktiefe
15: Heizstrahl
16: Abstand der Materialschichten
17: Maske
17': Beugungsgitter/Gitter
18: Lücke
19: Schulter
20: legierter Bereich/eingefrorene Gefügestruktur
21a–21c: Teilbereich einer Materialschicht
22: Oberflächenstruktur
23: Bewegungsraster
24: geschmolzene Bereiche
25: Pfeil
26: Dicke der Materialschicht
27: Beamsplitter
28: Sprühwerkzeug
29: Sprühstrahl
30: Kontaktelement
31: Linie
32: Anschlussbereich
33: Kontaktstelle
34: Kontaktpunkt
35: Kontaktumgebungsbereich
36: Einlaufbereich
37: Kontaktsteckbereich
38: Kontaktstelle
39: Steckrichtung

Claims

Elektrisches Kontaktelement (30) mit einem Funktionsbereich (1), wobei der wenigstens eine Funktionsbereich auf eine Teilfläche des Kontaktelements beschränkt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Materialschicht (4) im Funktionsbereich (1) auf das Kontaktelement (30) mechanisch aufgebracht und anschließend eine hochenergetische Heizstrahlung (9) auf die wenigstens eine Materialschicht gerichtet wurde.
Elektrisches Kontaktelement (30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschicht (4) aufgedruckt wurde, insbesondere mittels Siebdruck, Tintenstrahldruck („Inkjet”), Tiefdruck, Stempeldruck oder ein Bedrucken direkt oder indirekt über Zwischenträger, beispielsweise Zwischenwalzen.
Elektrisches Kontaktelement (30) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschicht (4) direkt auf ein Basismaterial des Kontaktelementes (30) aufgedruckt wurde.
Elektrisches Kontaktelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bedrucken metallhaltige Pasten eingesetzt wurden.
Elektrisches Kontaktelement (30) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pasten Pulver, Mikro- und/oder Nanopartikel aus einer oder mehreren reinen Metallkomponenten, Kohlenstoff und/oder Metallverbindungen enthalten haben oder daraus bestanden haben, insbesondere Gold, Silber, Kupfer, Nickel, Zinn, Palladium, Platin und/oder Ruthenium und zusätzliche Komponenten aus der Gruppe Titan, Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel, Zirkonium, Niob, Molybdän, Hafnium, Tantal und insbesondere Wolfram und auch Mischungen dieser zusätzlichen Komponenten.
Elektrisches Kontaktelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschicht (4) als Draht oder Folie bereitgestellt oder aufgesprüht wurde.
Elektrisches Kontaktelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Metallverbindungen in der Materialschicht (4) so gewählt wurden, dass sie sich unter Einwirkung der hochenergetischen Heizstrahlung (9) zum Metall reduzieren.
Elektrisches Kontaktelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Grundkomponente oder zusätzliche Komponente in Form einer Metall-Kohlenstoff-Verbindung Me_yC_x, eines Metalloxids Me_yO_x oder einer Metall-Stickstoffverbindung, Me_yN_x zum mechanischen Aufbringen eingesetzt wurden.
Elektrisches Kontaktelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem mechanisch aufgebrachten, die Materialschicht (4) bildenden Material sich bei Bestrahlung oder nach einem vorgeschalteten Trocknungsschritt verflüchtigende Stoffe enthalten waren, die lediglich als Transportmedium für die oben aufgeführten Grund- oder Zusatzkomponenten dienten.
Elektrisches Kontaktelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufheizen der Materialschicht (4) durch die hochenergetische Heizstrahlung (9) mit einer Genauigkeit von unter 0,1 mm erfolgte.
Elektrisches Kontaktelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass durch die hochenergetische Heizstrahlung (9) das Basismaterial des Kontaktelements (30) lediglich oberflächlich erwärmt und/oder angeschmolzen wurde und vorzugsweise die Schmelztiefe zwischen 0,05 μm und 20 μm betragen hat.
Elektrisches Kontaktelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Funktionsbereich (1) mehrere unterschiedliche Materialschichten (4a, 4b, 4c) über- und/oder nebeneinander mechanisch aufgebracht wurden.
Elektrisches Kontaktelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Funktionsbereich (1) eine flächenmäßig kleinere Materialschicht (4b) auf einer flächenmäßig größeren Materialschicht (4a) aufgebracht wurde.
Elektrisches Kontaktelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Funktionsbereich (1) eine flächenmäßig größere Materialschicht (4b) auf einer flächenmäßig kleineren Materialschicht (4a) aufgebracht wurde.
Elektrisches Kontaktelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass im Funktionsbereich (1) Materialschichten (4) aus unterschiedlichen Werkstoffen aufgebracht wurden.
Elektrisches Kontaktelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschicht (4) mit einer Genauigkeit von unter 0,1 mm aufgebracht wurde.
Elektrisches Kontaktelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Erwärmung im thermischen Gleichgewicht erfolgte.
Elektrisches Kontaktelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einwirkbereich (12) der hochenergetischen Heizstrahlung (9) flächenmäßig auf die wenigstens eine Materialschicht (4) beschränkt wurde.
Elektrisches Kontaktelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die hochenergetische Heizstrahlung (9) auf einen Teilbereich der wenigstens einen Materialschicht (4) begrenzt wurde.
Elektrisches Kontaktelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass nacheinander über- und/oder untereinander liegende Teilbereiche der wenigstens einen Materialschicht (4) aufgeschmolzen wurden.
Elektrisches Kontaktelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass Strahlungsparameter der hochenergetischen Heizstrahlung (9) während der Bestrahlung des Funktionsbereichs (1) geändert wurden.
Elektrisches Kontaktelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass derselbe Teilbereich (4a, 4b, 21a, 21b) mehrfach nacheinander aufgeheizt wurde.
Elektrisches Kontaktelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieeintrag der hochenergetischen Heizstrahlung (9) in die Materialschicht (4) in Abhängigkeit von der Lage des Einwirkbereichs (12) und/oder der Einwirkdauer im Einwirkbereich (12) geändert wurde.
Elektrisches Kontaktelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieeintrag der hochenergetischen Heizstrahlung (9) in Abhängigkeit von der Materialzusammensetzung der bestrahlten Materialschicht (12) geändert wurde.
Elektrisches Kontaktelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Aufheizen, insbesondere Aufschmelzen, der Materialschicht (4) mittels des Heizstrahls, die Materialschicht verdichtet und/oder entgast wurde und/oder Poren geschlossen und/oder Materialdefekte entfernt wurden.
Elektrisches Kontaktelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe des maximalen Energieeintrages mittels der Strahlparameter in Abhängigkeit von der gewünschten Wirkung gesteuert wurde.
Elektrisches Kontaktelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass Grenzflächen zwischen aufeinanderliegenden Materialschichten (4, 4a, 4b) und/oder zwischen der untersten Materialschicht (4) und dem Basismaterial angeschmolzen wurden
Elektrisches Kontaktelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung im Einwirkbereich (12) über die hochenergetische Heizstrahlung (9) gesteuert wurde.
Elektrisches Kontaktelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe der hochenergetischen Heizstrahlung (9) die Oberfläche der Materialschicht (4) strukturiert wurde.
Elektrisches Kontaktelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe der hochenergetischen Heizstrahlung (9) ein legierter Bereich (20) aus der Materialschicht (4) in einem Basismaterial (6) des Kontaktelements (30) erzeugt wurde.
Elektrisches Kontaktelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe der hochenergetischen Heizstrahlung die Materialschicht (4) zusammen mit dem darunterliegenden Basismaterial (6) oder weiteren Materialschichten (4) geschmolzen wurde und die aufgrund von Konvektion entstehende Mischphase durch sehr rasche Abkühlung in ihrer Gefügestruktur eingefroren wurde.
Elektrisches Kontaktelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass im Funktionsbereich (1) innerhalb einer Materialschicht (4) gleichen Materials Abschnitte (4a, 4b) mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften durch Veränderung der Strahlungsparameter der hochenergetischen Strahlung (9) erzeugt wurden.
Elektrisches Kontaktelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die hochenergetische Heizstrahlung (9) für die Bearbeitung des Kontaktelements (30) vor und/oder nach der Herstellung des Funktionsbereichs (1) verwendet wurde.
Elektrisches Kontaktelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass die hochenergetische Heizstrahlung (9) zur Qualitätskontrolle eingesetzt wurde.
Elektrisches Kontaktelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente in Streifen- oder Bandform (5) bearbeitet wurden.
Elektrisches Kontaktelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass die hochenergetische Heizstrahlung (9) eine Teilchenstrahlung, insbesondere eine Elektronenstrahlung war.
Elektrisches Kontaktelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschicht (4) nach dem mechanischen Aufbringen getrocknet wurde.
Elektrisches Kontaktelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass der Funktionsbereich (1) neben und/oder übereinander angeordnete Materialschichten (4a, 4b, 4c) mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften aufweist.
Elektrisches Kontaktelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass der Funktionsbereich (1) gehärtete und ungehärtete Materialschichten (4a, 4b) aufweist.
Elektrisches Kontaktelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschicht (4) eine amorphe, mikro- und/oder nanoskalige Gefügestruktur aufweist.
Elektrisches Kontaktelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass der Funktionsbereich (1) einen in das Kontaktelement einlegierten Bereich (20) aufweist.
Elektrisches Kontaktelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 41, dadurch gekennzeichnet, dass nicht-legierbare Materialien nanokristallin eingefroren sind.
Elektrisches Kontaktelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 42, dadurch gekennzeichnet, dass eine untere oder eine obere Schicht (4a, 4b) eine Korrosions- oder Diffusionsschutzschicht ist, die entweder eine chemische Isolation zwischen der oberen Materialschicht (4b) und dem Basismaterial (6) bewirkt, oder die das Basismaterial (6) gegen Korrosion in dem Bereich um die Materialschicht (4b) schützt, beispielsweise nach Art einer Opferanode.
Vorrichtung (8) zur Herstellung von Kontaktelementen mit einer Vorschubeinrichtung für Bandmaterial (5), gekennzeichnet durch eine Strahlungsquelle (8), durch die im Betrieb hochenergetische Strahlung (9) erzeugbar und auf einen Teilbereich des Bandmaterials (5) fokussierbar ist.
Vorrichtung (8) nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (8) eine Teilchenstrahlungsquelle, insbesondere eine Elektronenstrahlungsquelle ist.
Vorrichtung (8) nach einem der Ansprüche 44 oder 45 wobei die Vorrichtung (8) eine Maske (17) oder ein Beugungsgitter (17') für die hochenergetische Heizstrahlung (9) umfasst.