DE102010018417B4

DE102010018417B4 - Verfahren zum Herstellen von stapelförmigen Bauteilen

Info

Publication number: DE102010018417B4
Application number: DE102010018417.9A
Authority: DE
Inventors: Edgar Lederer
Original assignee: USK Karl Utz Sondermaschinen GmbH
Current assignee: AUMANN LIMBACH-OBERFROHNA GMBH, DE
Priority date: 2010-04-27
Filing date: 2010-04-27
Publication date: 2014-11-06
Anticipated expiration: 2030-04-28
Also published as: DE102010018417A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines aus aufeinander gestapelten Einzelteilen (1, 2a, 2b) gebildeten Bauteils, bei welchem die Einzelteile (1, 2a, 2b) aufeinander gelegt werden und der aus einer vorbestimmten Anzahl von Einzelteilen (1, 2a, 2b) gebildete Stapel (3) mit einer Presskraft (Fp) zusammengepresst wird, die aus wenigstens zwei gleichgerichteten Presskraftkomponenten (Fp1, Fp2) besteht, welche an wenigstens zwei voneinander beabstandeten Stellen in den Stapel (3) eingeleitet werden, und wobei die Presskraftkomponenten (Fp1, Fp2) erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel (3) mittels einer Klemmvorrichtung (4a, 4b, 4c, 4d) mit einer Klemmkraft (Fa, Fb) zusammengeklemmt wird, die an wenigstens zwei voneinander beabstandeten Stellen in den Stapel (3) eingeleitet wird, und dass die Klemmung derart erfolgt, dass sich die Größe der Presskraftkomponenten (Fp1', Fp2') jeweils um einen gleichen Betrag verringert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein derartiges Verfahren ist aus WO 02/09216 A2 bekannt. Dabei werden als Einzelteile Brennstoffzellen aufeinander gelegt und der so gebildete Stapel wird mittels einer Pressvorrichtung mit einer Presskraft zusammengepresst, die aus mehreren gleichgerichteten Presskraftkomponenten besteht. Die Presskraftkomponenten werden mit Hilfe von verschiebbaren Pressstempeln an voneinander beabstandeten Stellen in den Stapel eingeleitet. Zur Messung der einzelnen Presskraftkomponenten ist jeweils zwischen jedem Pressstempel und dem Stapel ein Kraftsensor angeordnet. Außerdem wird der Weg gemessen, um den sich die Höhe des Stapels beim Aufbringen der Presskraft reduziert. Die Presskraftkomponenten werden so eingestellt, dass sie jeweils mit einem vorbestimmten Wert übereinstimmen. Das Verfahren ermöglicht zwar ein gleichmäßiges Zusammenpressen des Stapels, hat aber den Nachteil, dass die nach dem Verfahren hergestellte Brennstoffzelle relativ teuer ist, da die Kraftsensoren nach dem Verpressen des Brennstoffzellen-Stapels an diesem verbleiben.
Aus DE 101 51 099 A1 ist ferner ein Akkumulator in bipolarer Stapelbauweise bekannt, der eine Vielzahl von in einem Gehäuse schichtartig angeordneten, durch leitfähige Zwischenwände getrennte Subzellen aufweist. Die einzelnen Subzellen sind mit Hilfe eines Zugankers, welcher die Subzellen durchsetzt, zwischen einem Gehäuseunterteil und einem Gehäusedeckel eingeklemmt. Der Zuganker ist an seinem einen Ende am Gehäuseunterteil verankert und an seinem anderen Ende mittels einer Mutter mit dem Gehäusedeckel verschraubt. Derartige Zuganker werden üblicherweise mit einem Drehmomentschlüssel angezogen. Dabei kann jedoch zwischen der Mutter und der Gewindestange des Zugankers sowie zwischen der Mutter und dem Gehäusedeckel Reibung auftreten, die dazu führen kann, dass die mittels des Zugankers in den Stapel eingeleitete Klemmkraft von einem vorbestimmten Sollwert abweicht.
Aus DE 11 2007 002 034 T5 ist ferner ein weiteres Verfahren bekannt, bei dem Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel aufeinander gestapelt werden. Nach dem Stapeln werden die Brennstoffzellen mittels einer Spannplatte, die zwei den Brennstoffzellenstapel abschließende Endplatten miteinander verbindet, aufeinander geklemmt. Hierzu ist die Spannplatte mit Bolzen derart an den Endplatten befestigt, dass die Endplatten einen vorgegeben Druck auf den Brennstoffzellenstapel ausüben.
Die Kraft mit der die Brennstoffzellen zusammengepresst werden, ist von besonderer Bedeutung, da hiervon die Dichtheit des Brennstoffzellenstapels abhängt. Daher ist vorgesehen, dass zwischen der oberen Endplatte und dem Brennstoffzellenstapel ein Federelement angeordnet ist, mittels dem die Gleichförmigkeit des auf den Brennstoffzellenstapel ausgeübten Drucks erhöht und die auf den Brennstoffzellenstapel einwirkende Last gemessen werden soll.
Des Weiteren sind an der oberen Endplatte zwei Stellschrauben vorgesehen, welche in das Federelement einschraubbar sind. Hierdurch soll sich der Brennstoffzellenstapel zentrieren lassen.
Zum Zusammenbau der Brennstoffzelle wird auf das Federelement und damit auf den Brennstoffzellenstapel mittels eines Druckzylinders ein Pressdruck ausgeübt. In diesem Zustand wird die Spannplatte an den beiden Endplatten befestigt. Nach der Befestigung der Spannplatte wird der Brennstoffzellenstapel mit den beiden Stellschrauben zentriert. Danach wird die durch den Druckzylinder auf den Brennstoffzellenstapel ausgeübte Vorbelastung aufgehoben und die Belastung des Brennstoffzellenstapels unter Verwendung der Stellschrauben eingestellt. Die Belastung des Brennstoffzellenstapels wird mit dem Federelement gemessen. Nachdem die Belastung des Brennstoffzellenstapels eingestellt ist, ist der Zusammenbau der Brennstoffzelle vollendet.
Wenngleich mittels der Spannplatte auch auf den Brennstoffzellenstapel eine Klemmkraft ausgeübt werden kann und die Krafteinwirkung auf den Brennstoffzellenstapel mittels der Stellschrauben an Unebenheiten des Brennstoffzellenstapels angepasst werden kann, so hat das bekannte Verfahren beziehungsweise die bekannte Vorrichtung dennoch den Nachteil, dass das Federelement Bestandteil der Brennstoffzelle ist. Dies wirkt sich nachteilig auf die Kosten aus. Darüber hinaus vergrößert sich hierdurch der Raumbedarf der Brennstoffzelle.
Im Hinblick auf die Kosten wird das Federelement zudem regelmäßig nicht derart hochwertig ausgebildet sein, dass die Messung der Belastung des Brennstoffzellenstapels mit großer Genauigkeit erfolgen kann. Die Anpassung der Klemmkrafteinwirkung an Unebenheiten des Brennstoffzellenstapels wird daher nicht sehr präzise sein. Dies wirkt sich nachteilig auf die Zuverlässigkeit der Brennstoffzelle aus.
Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart auszubilden, dass die Klemmung eines aus einer vorbestimmten Anzahl von Einzelteilen gebildeten Stapels kostengünstig und gleichmäßig erreicht werden kann.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Dadurch, dass der aus den Einzelteilen gebildete Stapel vor dem Zusammenklemmen mit einer Presskraft, welche wenigstens aus zwei gleichgerichteten Presskraftkomponenten besteht, welche an wenigstens zwei voneinander beanstandeten Stellen in den Stapel eingeleitet werden, zusammengepresst wird, ist es möglich, Ungleichmäßigkeiten des Stapels, die durch Toleranzen der Dicken der Einzelteile auftreten können, vor dem Zusammenklemmen zu erkennen und die Klemmkraft entsprechend anzupassen.
So ist es beispielsweise möglich, die Erhöhung des Stapels an einer Seite, die dadurch entstanden ist, dass die Einzelteile an dieser Seite jeweils eine positive Toleranz aufweisen, vor dem Zusammenklemmen des Stapels zuerkennen und bei der Klemmung zu berücksichtigen. Die Erhöhung des Stapels an einer Seite kann beispielsweise dadurch festgestellt werden, dass der Weg der Pressstempel, mittels denen die Presskraftkomponenten in den Stapel eingeleitet werden, erfasst wird und Abweichungen der Wege der Pressstempel ausgewertet werden. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, die jeweiligen Komponenten der Presskraft zu erfassen, welche auf den Stapel einwirken. Erstellt man ein Kraft-Weg-Diagramm, kann dieses als Qualitätsmerkmal beziehungsweise -nachweis der Brennstoffzelle verwendet werden.
Wird die Presskraft derart in den Stapel eingeleitet, dass sie sich bei einem Stapel, der an den Stellen, an denen die Kraft eingeleitet wird, gleich hoch ist, gleichmäßig aufteilt, ist die Komponente der Presskraft an der Stelle, an der der Stapel eine Erhöhung aufweist, größer als an der Stelle, an der der Stapel eine geringere Höhe hat. Durch einen Vergleich der Presskraftkomponenten lässt sich somit vor dem Zusammenklemmen des Stapels feststellen, ob die Höhendifferenz, die ein Stapel aufweist, innerhalb einer zulässigen Toleranz liegt. Liegt die Höhentoleranz des Stapels innerhalb einer zulässigen Toleranz, kann der Stapel zusammengeklemmt werden, wobei Abweichungen in der Stapelhöhe berücksichtigt werden können.
Insbesondere ist es möglich, die verschiedenen Komponenten der Kraft, mit der die Einzelteile zusammengeklemmt sind, äußerst gleichmäßig einzustellen. Da durch die Klemmkraft die Presskraft entlastet wird, lassen sich durch Beobachtung der Presskraft, die Auswirkungen der Klemmkraft feststellen.
Erfolgt die Einleitung der Klemmkraftkomponenten insbesondere nahe der Stellen, an denen die Presskraftkomponenten in den Stapel eingeleitet werden, entspricht die Belastung des Stapels durch die betreffende Klemmkraftkomponente nahezu exakt der Reduzierung der betreffenden Prozesskraftkomponente. Insbesondere kann die Klemmung derart vorgenommen werden, dass die betreffenden Presskraftkomponenten jeweils um denselben Betrag entlastet werden. Hierdurch ist gewährleistet, dass alle Komponenten der Klemmkraft jeweils nahezu exakt denselben Betrag haben. Das heißt, auf den Stapel wirkt eine sehr gleichmäßige Klemmkraft ein.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Erfassung der Presskraftkomponenten jeweils nach einer vorbestimmten Anzahl auf den Stapel gelegter Einzelteile erfolgt. Hierdurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, den Aufbau des Stapels in seiner Entstehung zu überwachen. So kann frühzeitig erkannt werden, ob sich Dickentoleranzen der Einzelteile an einer Stelle zu einem unzulässig hohen Wert aufsummieren. Sobald dies erkannt ist, kann mit dem weiteren Aufbau des Stapels aufgehört und können gegebenenfalls Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Dies erspart einerseits Zeit und verringert andererseits die Menge der Ausschussteile. Ein weiterer Vorteil ist die Kostenreduzierung durch den frühen Eingriff in die Wertschöpfungskette.
Durch Vergleich der Presskraftkomponenten mit einem vorgegebenen Wert, wie dies bei einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung vorgesehen ist, lässt sich eine sehr genaue Einstellung der Klemmkraft automatisch erreichen. So kann zunächst die Presskraft derart in den Stapel eingeleitet werden, dass zumindest eine Presskraftkomponente einem ersten vorgegebenen Wert entspricht. Ergibt ein Vergleich der Presskraftkomponenten miteinander, dass die Abweichungen der Presskraftkomponenten innerhalb einer zulässigen Toleranz liegen, wird jeweils durch Verringerung des Betrags der betreffenden Presskraftkomponente um den Wert der gewünschten Klemmkraft jeweils ein neuer vorgegebener Wert ermittelt. Danach wird mittels der Klemmvorrichtung der Stapel so weit zusammengeklemmt, bis die Presskraftkomponenten jeweils dem neuen vorgegebenen Wert entsprechen. Da der Stapel hierdurch unabhängig von seiner Höhentoleranz an den betreffenden Stellen jeweils mit derselben Klemmkraft zusammengeklemmt wird, wird eine sehr gleichmäßige Klemmung erreicht.
Durch das Erfassen des Betrags, um den sich durch die Einleitung der Klemmkraftkomponenten in den Stapel die jeweilige Presskraftkomponente verringert, werden Fremdeinflüsse, wie sie beispielsweise durch Reibung in Tellerfederpaketen oder Reibungseinflüsse zwischen Mutter, Gewindestange und Mutterauflage bei einer entsprechenden Klemmvorrichtung entstehen können, eliminiert.
Des Weiteren lässt sich mittels der vorliegenden Erfindung ein Qualitätskriterium des Plattenstapels definieren. Eine sehr enge Toleranz der Abweichung der Presskraftkomponenten entspricht einem hohen Qualitätswert, eine große Toleranz einem geringen Qualitätswert.
Als Qualitätswert könnte auch die Abweichung einer Presskraftkomponente vom Durchschnittswert der anderen Presskraftkomponenten dienen. Wird eine höhere Presskraftkomponente an einem Messpunkt im Vergleich zu den anderen Messpunkten ermittelt, deutet dies darauf hin, dass das Sollmaß des Plattenstapels an diesem Punkt überschritten wurde. Wird eine geringere Kraft mit dem Durchschnittswert der anderen Presskraftkomponenten ermittelt, ist das betreffende Sollmaß unterschritten. Durch Überprüfung des Plattenstapels nach jeder aufgelegten Platte oder nach mehreren aufgelegten Platten lässt sich die Qualität jeder einzelnen aufgelegten Platte beziehungsweise der aufgelegten Platten überprüfen.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines besonderen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
Es zeigt:
1 eine Anordnung zur schematischen Darstellung der Erfindung beim Aufbringen einer Presskraft auf einen Plattenstapel,
2 die in 1 dargestellte Anordnung bei teilweise in den Plattenstapel eingeleiteter Klemmkraft,
3 die in 1 dargestellte Anordnung bei vollständig in den Plattenstapel eingeleiteter Klemmkraft und
4 eine Draufsicht auf den in 1 dargestellten Plattenstapel.
Wie den 1 bis 3 entnommen werden kann, weist ein Plattenstapel 3 plattenförmige Einzelteile 1 sowie eine obere Abschlussplatte 2a als auch eine untere Abschlussplatte 2b auf. Die plattenförmigen Einzelteile 1 können insbesondere Brennstoffzellen sein. Die Einzelteile 1 sowie die obere Abschlussplatte 2a weisen Öffnungen auf, durch die sich an der unteren Abschlussplatte 2b befestigte Stifte 3a, 3b, 3c, 3d erstrecken.
Oberhalb der oberen Abschlussplatte 2a ist eine Verpressplatte 5 angeordnet, an welcher insgesamt vier Pressstempel 6a, 6b befestigt sind. Die Pressstempel 6a, 6b wirken auf vier Aufsetzpunkte 7a', 7b', 7c', 7d' der oberen Abschlussplatte 2a ein. Die Aufsetzpunkte 7a', 7b', 7c', 7d' lassen sich insbesondere 4 entnehmen. Des Weiteren lässt sich 4 entnehmen, dass die Aufsetzpunkte 7a', 7b', 7c', 7d' in unmittelbarer Nähe der äußeren Stifte 3a, 3b, 3c, 3d angeordnet sind.
Zwischen den Pressstempeln 6a, 6b und den Aufsetzpunkten 7a', 7b', 7c', 7d' der oberen Abschlussplatte 2a sind Kraftmesssensoren 7a, 7b angeordnet. Mittels der Pressstempel 6a, 6b lässt sich eine auf die Verpressplatte 5 einwirkende Presskraft F_p in den Plattenstapel 3 einleiten. Wie insbesondere 1 in Verbindung mit 4 entnommen werden kann, teilt sich die Presskraft F_p in vier den Pressstempeln 6a, 6b zugeordneten Presskraftkomponenten F_p1, F_p2 auf. Die Größe des Betrags der Presskraft F_p beziehungsweise Presskraftkomponenten F_p1, F_p2 ist durch die Größe der Pfeile angedeutet. Sofern der Plattenstapel 3 an den Aufsetzpunkten 7a', 7b', 7c' 7d' dieselbe Höhe hat, teilt sich die Presskraft F_p in vier gleiche Teile auf. Das heißt, die Presskraftkomponenten F_p1, F_p2 haben jeweils denselben Wert.
Wäre die Höhe des Stapels 3 beispielsweise an dem Aufsetzpunkt 7b' größer als an den anderen Aufsetzpunkten 7a', 7c', 7d', wäre der Wert der entsprechenden Presskraftkomponente F_p2 größer als die der übrigen Presskraftkomponenten. Die Differenz der Presskraftkomponenten ist ein Maß für die Höhendifferenz des Stapels 3.
Wie den 2 bis 4 entnommen werden kann, sind auf den Stiften 3a, 3b, 3c, 3d Federelemente 4a, 4b, 4c, 4d aufgebracht, mittels der auf den Plattenstapel 3 eine Klemmkraft F_a, F_b aufgebracht werden kann. Durch die Einwirkung der Klemmkraft auf den Plattenstapel 3 verringert sich die Einwirkung der Presskraft F_p.
Wie insbesondere 2 entnommen werden kann, verringert sich die Presskraft F_p um den Wert, um den die Klemmkraft erhöht wird. Das heißt, die Beträge der Presskraftkomponenten F_p1, F_p2 verringern sich in dem Maße, in dem sich die Komponenten der Klemmkraft F_a, F_b erhöhen. Dies ist durch die Größe der Pfeile F_p', F_a, F_b angedeutet. Die Presskraft F_p' beziehungsweise die Presskraftkomponenten F_p1', F_p2' entspricht beziehungsweise entsprechen der ursprünglichen Presskraft F_p beziehungsweise den ursprünglichen Presskraftkomponenten F_p1, F_p2 verringert um den Anteil F_a, F_b, den die Federelemente 4a, 4b, 4c, 4d auf die obere Abschlussplatte 2a ausüben.
In 3 ist der Zustand dargestellt, in dem die Federelemente 4a, 4b, 4c, 4d so weit angezogen wurden, dass keine Presskraft mehr auf den Plattenstapel 3 einwirkt. Auf den Plattenstapel 3 wirken lediglich noch die Komponenten Fa', Fb' der Klemmkraft ein. Selbstverständlich müssen die Federelemente nicht so weit angezogen werden, das die Presskraft vollständig kompensiert wird.
So könnten beispielsweise die Federelemente derart eingestellt werden, dass, wenn die den Aufsetzpunkten 7a', 7c', 7d' zugeordneten Kraftmesssensoren ohne Entlastung durch die Federelemente einen Wert von 105 Newton ermitteln und der dem Aufsetzpunkt 7b' zugeordnete Kraftmesssensor 7b einen Wert von 115 Newton ermittelt, die Federelemente 4a, 4c, 4d derart angezogen werden, bis die betreffenden Kraftmesssensoren einen Wert von 5 Newton feststellen und das Federelement 4b derart angezogen werden, dass der betreffende Kraftmesssensor einen Wert von 15 Newton feststellt. Hierdurch leiten alle Federelemente 4a, 4b, 4c, 4d dieselbe Kraft von 100 Newton in den Plattenstapel 3 ein.
Wenngleich die Erfindung auch anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, bei der vier Pressstempel und vier Federelemente vorhanden sind, so versteht es sich von selbst, dass mehr als vier Pressstempel und mehr als vier Federelemente vorhanden sein können. Auch können lediglich zwei Pressstempel und zwei Federelemente vorhanden sein. Des Weiteren braucht die Anzahl der Federelemente nicht mit der Anzahl der Pressstempel übereinstimmen.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines aus aufeinander gestapelten Einzelteilen (1, 2a, 2b) gebildeten Bauteils, bei welchem die Einzelteile (1, 2a, 2b) aufeinander gelegt werden und der aus einer vorbestimmten Anzahl von Einzelteilen (1, 2a, 2b) gebildete Stapel (3) mit einer Presskraft (F_p) zusammengepresst wird, die aus wenigstens zwei gleichgerichteten Presskraftkomponenten (F_p1, F_p2) besteht, welche an wenigstens zwei voneinander beabstandeten Stellen in den Stapel (3) eingeleitet werden, und wobei die Presskraftkomponenten (F_p1, F_p2) erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel (3) mittels einer Klemmvorrichtung (4a, 4b, 4c, 4d) mit einer Klemmkraft (F_a, F_b) zusammengeklemmt wird, die an wenigstens zwei voneinander beabstandeten Stellen in den Stapel (3) eingeleitet wird, und dass die Klemmung derart erfolgt, dass sich die Größe der Presskraftkomponenten (F_p1', F_p2') jeweils um einen gleichen Betrag verringert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Presskraftkomponenten (F_p1, F_p2) miteinander verglichen werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Presskraftkomponenten (F_p1, F_p2) mit einem vorgegebenen Wert verglichen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der Presskraftkomponenten (F_p1, F_p2) jeweils nach einer vorbestimmten Anzahl auf den Stapel (3) gelegter Einzelteile (1) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmkraft mittels Federelementen (4a, 4b, 4c, 4d) aufgebracht wird und dass die Federelemente (4a, 4b, 4c, 4d) soweit angezogen werden, dass keine Presskraft mehr auf den Stapel (3) einwirkt.