DE102010052739B4

DE102010052739B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Bauelementen für eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle, oder einen elektrochemischen Energiespeicher

Info

Publication number: DE102010052739B4
Application number: DE102010052739.4A
Authority: DE
Inventors: Ümit Akay; Dr.-Ing. Erdmann Christian Martin
Original assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2010-11-26
Filing date: 2010-11-26
Publication date: 2023-12-28
Anticipated expiration: 2030-11-27
Also published as: DE102010052739A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Bauelementen (2) für eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle, oder einen elektrochemischen Energiespeicher, wobei ein flächiges Bauelement (2) in einem mehrstufigen Umformprozess in einem ersten Umformschritt hydromechanisch umgeformt und in einem zweiten Umformschritt hydromechanisch nachgeformt wird, wobei das Bauelement (2) durch eine einwirkende Kraft eines Mediums in einem Arbeitsraum (7) gegen eine Formmatrize (3) gepresst und somit entsprechend einer Oberflächenstruktur der Formmatrize (3) verformt wird, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Umformschritt eine Position oder eine Anordnung von beweglichen Werkzeugsegmenten (6) einer Formmatrize (3) einer Umformvorrichtung (1) verändert wird, wobei die Werkzeugsegmente (6) hydraulisch bewegt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauelementen für eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle, oder einen elektrochemischen Energiespeicher gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung von Bauelementen für eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle, oder einen elektrochemischen Energiespeicher gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 2.
Aus der WO 2004/047209 ist ein Verfahren zur Herstellung von Separatorplatten für eine Brennstoffzelle bekannt, bei welchem eine Separatorplatte mittels eines einstufigen hydromechanischen Umformverfahrens hergestellt wird.
Die US 6,938,449 B2 beschreibt ein einstufiges hydromechanisches Umformverfahren für ein flächiges Bauelement.
Die CN 1 00 363 126 C offenbart ein Verfahren zum hydromechanischen Umformen (pneumatisch oder hydraulisch) eines plattenförmigen Bauteils. Durch Einleiten eines Mediums in einen Arbeitsraum erfolgt eine Umformung gegen eine Formmatrize. Die Formmatrize wird durch mehrere Stempel gebildet, welche jeweils mit einem Motor verfahren werden können.
Die DE 196 49 629 C2 offenbart ein Werkzeug zum Innenhochdruckumformen zur Bearbeitung von Blechplatinen, bei welchem im Werkzeugoberteil wahlweise Werkzeugelemente in Form eines axial verschiebbaren Stempels und/oder einer Matrize angeordnet sind. Im Werkzeugunterteil befindet sich der Hochdruckraum, der über eine Hochdruckbohrung mit einem Druckübersetzer des Hochdrucksystems in Verbindung steht, so daß das zwischen Werkzeugoberteil und Werkzeugunterteil angeordnete Blech durch örtliches Aufbringen des Druckes im Hochdruckraum entsprechend der Wahl und Gestaltung der Werkzeugelemente in Form des Stempels und/oder der Matrize umgeformt und/oder gelocht wird. Entsprechend der Anforderungen kann der Stempel als Schneidstempel, Formstempel oder Auswerfer ausgebildet sein.
Die DE 100 43 209 A1 offenbart ein Werkzeug zur Bildung einer Anlagefläche für ein Werkstück bei einer Umformung des Werkstücks. Das Werkzeug umfasst ein Werkzeuggestell, ein erstes Formelement, das einen Teil der Anlagefläche bildet, und ein zweites Formelement, das einen zweiten Teil der Anlagefläche bildet und relativ zu dem ersten Formelement axial bewegbar in dem Werkzeuggestell gelagert ist.
Die DE 196 24 036 A1 offenbart ein Werkzeug, um Bleche durch Tiefziehen zu dreidimensionalen Bauteilen zu formen. In einer anfänglichen Formgebungsphase wird die Oberseite einer Matrize in dem durch einen Spannrahmen definierten Bereich durch einen Gasdruck belastet, gefolgt von einem Druck aus der Matrize zur Aufrechterhaltung der Geometrie.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren sowie eine verbesserte Vorrichtung zur Herstellung von Bauelementen für eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle, oder einen elektrochemischen Energiespeicher anzugeben, wodurch insbesondere eine optimierte Geometrie der hergestellten Bauelemente ermöglicht ist.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 6 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Beim Verfahren zur Herstellung von Bauelementen für eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle, oder einen elektrochemischen Energiespeicher wird ein flächiges Bauelement erfindungsgemäß in einem mehrstufigen Umformprozess in einem ersten Umformschritt hydromechanisch umgeformt und in einem zweiten Umformschritt hydromechanisch nachgeformt, wobei das Bauelement durch eine einwirkende Kraft eines Mediums in einem Arbeitsraum gegen eine Formmatrize gepresst und somit entsprechend einer Oberflächenstruktur der Formmatrize verformt wird, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Umformschritt eine Position oder eine Anordnung von beweglichen Werkzeugsegmenten einer Formmatrize einer Umformvorrichtung verändert wird, wobei die Werkzeugsegmente hydraulisch bewegt werden. Dadurch ist eine optimierte Ausformung der Geometrie des Bauelements ermöglicht.
Besonders vorteilhafterweise können enge und tiefe Kanäle sowie ebene Kanalbereiche im Bauelement realisiert werden, woraus eine verbesserte Funktionalität des Bauelements resultiert.
Bei der Umformvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine mehrstufige Umformvorrichtung vorgesehen, d. h. eine Umformvorrichtung mittels derer ein flächiges Bauelement in einem mehrstufigen Prozess hydromechanisch umformbar und anschließend hydromechanisch nachformbar ist, wobei das Bauelement durch eine einwirkende Kraft eines Mediums in einem Arbeitsraum gegen eine Formmatrize pressbar und somit entsprechend einer Oberflächenstruktur der Formmatrize verformbar ist, wobei die Umformvorrichtung und/oder die Formmatrize der Umformvorrichtung bewegbare Werkzeugsegmente aufweist, deren Position oder Anordnung zwischen den Umformschritten veränderbar ist, wobei die Werkzeugsegmente hydraulisch bewegbar sind. Eine solche mehrstufige Umformvorrichtung ermöglicht die Reduzierung der Herstellungskosten des Bauelements.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung können die Bauteile bei der Nachformung für einen späteren Fügevorgang optimiert werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist eine erfindungsgemäße Umformvorrichtung mit einem geringeren Arbeitsdruck als eine herkömmliche Umformvorrichtung betreibbar. Daraus resultieren geringere Herstellungs- und Betriebskosten der erfindungsgemäßen Umformvorrichtung.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:

1 schematisch eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Umformvorrichtung nach dem hydromechanischen Umformen und
2 schematisch eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Umformvorrichtung während des hydromechanischen Nachformens.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist schematisch eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Umformvorrichtung 1 nach dem hydromechanischen Umformen dargestellt.
Mittels der Umformvorrichtung 1 ist ein flächiges Bauelement 2, welches beispielsweise aus einem Blechwerkstoff oder einem Folienwerkstoff gebildet ist, umformbar. Somit kann aus dem flächigen Bauelement 2 in einem mehrstufigen Prozess ein strukturiertes Bauelement 2 für eine nicht dargestellte elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle, oder einen elektrochemischen Energiespeicher gefertigt werden. Dabei wird das Bauelement 2 beispielsweise zu einer Kathoden-, Anoden-, Separator- oder Endplatte umgeformt.
In einem ersten Umformschritt wird das umzuformende Bauelement 2 in der Umformvorrichtung 1 angeordnet. Das Bauelement 2 ist derart zwischen einer Formmatrize 3 und einer Grundplatte 5 angeordnet, dass es zwischen einem die Grundplatte 5 vollständig umlaufenden Randbereich 4 und der Formmatrize 3 form- und/oder kraftschlüssig angeordnet und gehalten ist. In die dem Bauelement 2 zugewandte Oberfläche der Formmatrize 3 ist die auf das Bauelement 2 zu applizierende Struktur aufgebracht. Dabei ist die auf das Bauelement 2 zu applizierende Struktur zumindest bereichsweise aus einer Vielzahl von beweglichen Werkzeugsegmenten 6 gebildet. Diese Werkzeugsegmente 6 sind nach Art eines hydraulischen Kolbens ausgebildet und mit einem hydraulischen Druck beaufschlagbar und somit mittels einer Druckänderung bewegbar.
Zwischen der Unterseite des Bauelements 2 und der Grundplatte 5 ist ein Arbeitsraum 7 gebildet. Dieser Arbeitsraum 7 ist insbesondere durch die Anordnung einer Dichtung 8 zwischen Randbereich 4 und Bauelement 2 gegenüber der Umgebung abgedichtet. Der Arbeitsraum 7 ist mittels zumindest eines Ventils 9 gesteuert und/oder geregelt mit einem unkompressiblen oder nahezu unkompressiblen Medium beaufschlagbar.
Durch die Einleitung des Mediums in den Arbeitsraum 7 wirkt eine Kraft allseitig und gleichmäßig auf alle Begrenzungen des Arbeitsraums 7. Diese einwirkende Kraft ist von dem Druck, mit welchem das Medium in den Arbeitsraum 7 eingeleitet wird, abhängig und kann somit mittels einer Variation dieses Drucks verändert und an den umzuformenden Werkstoff angepasst werden. Diejenige Begrenzung des Arbeitsraums 7, welche der Kraft des Mediums am wenigsten widersteht, ist das Bauelement 2. Dieses wird durch die einwirkende Kraft des Mediums gegen die Formmatrize 3 gepresst und somit entsprechend der Oberflächenstruktur der Formmatrize 3 verformt.
Im ersten Umformschritt sind die beweglichen Werkzeugsegmente 6 mit einem hydraulischen Druck beaufschlagt, welcher größer ist, als der hydraulische Druck, welcher im Arbeitsraum 7 wirkt. Dadurch werden die Werkzeugsegmente 6 aus der Formmatrize 3 herausbewegt und eine Kanalhöhe H der Formmatrize 3 wird vergrößert. In dieser Position der Werkzeugsegmente 6 sind vorteilhafterweise besonders tiefe Kanäle, beispielsweise runde oder verrundete Absätze und/oder Bodenbereiche, ausformbar.
Dieser erste Umformschritt entspricht im Wesentlichen dem herkömmlichen hydromechanischen Umformen. Die mittels der Formmatrize 3 auf das Bauelement 2 aufbringbare Struktur ist in ihrer Geometrie eingeschränkt. Beispielsweise sind enge und/oder tiefe Kanäle, ebene Kanalbereiche, scharfkantige Ausformungen oder Ausformungen mit sehr kleinen Verrundungsradien an den Kanten nicht herstellbar.
In 2 ist schematisch eine Schnittdarstellung durch die erfindungsgemäße Umformvorrichtung 1 während des hydromechanischen Nachformens dargestellt.
Zur Durchführung des zweiten Umformschrittes wird der auf die beweglichen Werkzeugsegmente 6 einwirkende Druck verringert und/oder der Druck des Mediums im Arbeitsraum 7 wird erhöht. Somit ist der hydraulische Druck, der auf die beweglichen Werkzeugsegmente 6 einwirkt, geringer als der Druck im Arbeitsraum 7. Daraus resultierend werden die beweglichen Werkzeugsegmente 6 in die Formmatrize 3 hineinbewegt, so dass die Kanalhöhe H der Formmatrize 3 verkleinert wird. Durch diese Verringerung der Kanalhöhe H werden die im ersten Umformschritt rund oder verrundet ausgeformten Kanäle des Bauelements 2 auf und/oder in die Oberfläche der Formmatrize 3 gepresst, wobei besonders enge Radien und Rundungen sowie ebene Bereiche erzeugt werden können.
In einer besonders vorteilhaften, nicht dargestellten Ausführungsform können die auf das Bauelement 2 einwirkenden Oberflächen der Formmatrize 3, beispielweise die Oberflächen der Werkzeugsegmente 6, bombiert ausgebildet sein. Eine solche Bombierung ist eine Veränderung der Form und/oder Struktur der auf das Bauelement 2 einwirkenden Oberfläche eines Tiefziehwerkzeugs, so dass die Verformung des Bauelements 2 über das gewünschte Maß hinaus erfolgt und folglich ein Rückfedern des Bauelements 2 nach dem Entnehmen aus dem Tiefziehwerkzeug ausgeglichen wird.
In nicht dargestellten Ausführungsvarianten können mittels des Nachformens enge und/oder tiefe Kanäle, ebene Kanalbereiche, scharfkantige Ausformungen oder Ausformungen mit sehr kleinen Verrundungsradien an den Kanten nachgeformt werden.
Bezugszeichenliste

1: Umformvorrichtung
2: Bauelement
3: Formmatrize
4: Randbereich
5: Grundplatte
6: Werkzeugsegment
7: Arbeitsraum
8: Dichtung
9: Ventil
H: Kanalhöhe

Claims

Verfahren zur Herstellung von Bauelementen (2) für eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle, oder einen elektrochemischen Energiespeicher, wobei ein flächiges Bauelement (2) in einem mehrstufigen Umformprozess in einem ersten Umformschritt hydromechanisch umgeformt und in einem zweiten Umformschritt hydromechanisch nachgeformt wird, wobei das Bauelement (2) durch eine einwirkende Kraft eines Mediums in einem Arbeitsraum (7) gegen eine Formmatrize (3) gepresst und somit entsprechend einer Oberflächenstruktur der Formmatrize (3) verformt wird, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Umformschritt eine Position oder eine Anordnung von beweglichen Werkzeugsegmenten (6) einer Formmatrize (3) einer Umformvorrichtung (1) verändert wird, wobei die Werkzeugsegmente (6) hydraulisch bewegt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die beweglichen Werkzeugsegmente (6) im ersten Umformschritt mit einem hydraulischen Druck beaufschlagt werden, welcher größer ist als ein hydraulischer Druck des Mediums im Arbeitsraum (7).
Verfahren nach Anspruch 2, wobei dadurch die Werkzeugsegmente (6) aus der Formmatrize (3) herausbewegt werden.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei zur Durchführung des zweiten Umformschrittes der auf die beweglichen Werkzeugsegmente (6) einwirkende Druck verringert und/oder der Druck des Mediums im Arbeitsraum (7) erhöht wird, sodass der hydraulische Druck, der auf die beweglichen Werkzeugsegmente (6) einwirkt, geringer ist als der Druck im Arbeitsraum (7).
Verfahren nach Anspruch 4, wobei dadurch die beweglichen Werkzeugsegmente (6) in die Formmatrize (3) hineinbewegt werden.
Umformvorrichtung (1) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels der Umformvorrichtung (1) ein flächiges Bauelement (2) in einem mehrstufigen Prozess hydromechanisch umformbar und anschließend hydromechanisch nachformbar ist, wobei das Bauelement (2) durch eine einwirkende Kraft eines Mediums in einem Arbeitsraum (7) gegen eine Formmatrize (3) pressbar und somit entsprechend einer Oberflächenstruktur der Formmatrize (3) verformbar ist, wobei die Umformvorrichtung (1) und/oder die Formmatrize (3) der Umformvorrichtung (1) bewegbare Werkzeugsegmente (6) aufweist, deren Position oder Anordnung zwischen den Umformschritten veränderbar ist, wobei die Werkzeugsegmente (6) hydraulisch bewegbar sind.
Umformvorrichtung (1) nach Anspruch 6, wobei eine Werkzeugoberfläche der Umformvorrichtung (1) und/oder der Werkzeugsegmente (6) zumindest bereichsweise bombiert ist.
Umformvorrichtung (1) nach Anspruch 6 oder 7, wobei mittels der hydromechanischen Nachformung das Bauelement (2) zumindest bereichsweise vollständig ausformbar ist.