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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines durch parallel zueinander verlaufende, durch Stege voneinander getrennte Vertiefungen profilierten Bleches, zu Verwenden etwa als Stapelbauteil eines Brennstoffzellenstacks. Die Erfindung betrifft ferner ein profiliertes Blech, hergestellt unter Anwendung dieses Verfahrens.
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Profilierte dünnwandige Bleche werden beispielsweise bei der Herstellung von Wärmetauschern verwendet. Derartige Bleche können im Querschnitt trapezförmig oder auch sinusförmig ausgebildet sein. Bei einer solchen Profilierung verfügt das Blech somit über eine Vielzahl parallel zueinander verlaufender Vertiefungen, die jeweils durch Stege voneinander getrennt sind. Bei profilierten Blechen trifft diese Beschreibung sowohl für die Vorderseite als auch für die Rückseite desselben zu. Um aus den einseitig offenen Vertiefungen umfänglich geschlossene durchströmbare Kanäle zu bilden, werden eine Vielzahl derartig profilierter Bleche ggfs. unter Einschaltung eines nicht profilierten Bleches als Stapel zusammengestellt und miteinander verbunden, typischerweise verlötet oder verschweißt.
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Während bei Wärmetauschern die freie durchströmbare Querschnittsfläche nicht zu klein gewählt werden darf, um nicht einen unnötig hohen Strömungswiderstand in Kauf zu nehmen, steht dieses bei der Konzeption von Brennstoffzellen nicht im Vordergrund. Vielmehr wird gewünscht, auf einer Querschnittsfläche möglichst viele individuelle Kanäle auszubilden. Hergestellt werden Brennstoffzellen auch durch Stapelung entsprechend bearbeiteter Bleche, wobei als Material hierfür Stahlblech eingesetzt wird. Derzeitig werden derartige Brennstoffzellenstapel aus einzelnen Stahlblechen zusammengestellt, bei denen die Vertiefungen durch Ätzen oder Fräsen in einen Blechrohling eingebracht werden. Bei einem solchen Verfahren bleibt die eine Seite der Platte glatt. Nachteilig sind bei einem solchen Verfahren nicht nur das relativ aufwendige Herstellungsverfahren und der eintretende Materialverlust, sondern auch, dass bei einem chemischen Ätzprozess eine über die Länge der Vertiefung definierte und gleich bleibende Querschnittsgeometrie nicht hinreichend gewährleistet werden kann. Es versteht sich, dass das Gewicht eines solchen Blechstapels größer ist als dasjenige, welches insgesamt geprägt ist und somit zu beiden Seiten Vertiefungen und Stege aufweist, wie dieses aus der Konzeption entsprechender Bleche bei Wärmetauschern bekannt ist. Erschwerend kommt bei der Konzeption von Brennstoffzellenstacks hinzu, dass die Wandstärke möglichst gering und in allen Abschnitten möglichst gleich bleiben soll. Dieses Erfordernis steht bei Wärmetauschern dagegen nicht im Vordergrund, weshalb diese, einen größeren Fluidquerschnitt aufweisenden profilierten Bleche im Wege eines Pressprozesses hergestellt werden können. Ein solcher Prozess hat zur Folge, dass im Zuge des Pressens (Tiefziehens) vor allem in den Flanken eine nicht unerhebliche Materialausdünnung stattfindet. Zwar ließe sich dieses zum Vermeiden des Unterschreitens einer Mindestdicke des Bleches durch eine gewisse Materialvorgabe kompensieren. In Folge des Ausdünnens nur an bestimmten Bereichen einer Profilierung führt dieses jedoch zu einem profilierten Blech mit ungleichen Wandstärken in den Profilierungen. Überdies sind in Folge der Ausdünnung bei diesem Verfahren Grenzen in Bezug auf die mögliche Presstiefe und Anzahl der Vertiefungen gesetzt. Des Weiteren wäre es wünschenswert, wenn die Profilierungstiefe einem Vielfachen der Materialstärke des Blechrohlings entsprechen könnte.
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Ausgehend von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines profilierten Bleches, und zwar profiliert durch parallel zueinander verlaufende, durch Stege voneinander getrennte Vertiefungen, vorzuschlagen, mit dem sich profilierte Bleche, insbesondere zur Verwendung zur Erstellung eines Brennstoffzellenstacks herstellen lassen, dieses Verfahren jedoch nicht die Nachteile des Ätzens oder des durch Pressen bzw. Tiefziehen hergestellten Bleche aufweist.
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Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein eingangs genanntes, gattungsgemäßes Verfahren, bei dem die Profilierung im Wege eines formgebenden Walzprozesses an einem einem Formwalzenpaar zugeführten Blechrohling quer zu seiner Transportrichtung erzeugt wird, wobei die Walzoberfläche der beiden Formwalzen durch eine Wechselfolge quer zur Rotationsrichtung verlaufende Formstege und Formnuten strukturiert ist, wobei die Formwalzen unter Belassung eines Walzspaltes kämmend miteinander in Eingriff gestellt sind, und der Walzprozess durchgeführt wird, damit die Profilierung durch Biegen des Blechrohlings quer zu seiner Transportrichtung erstellt wird.
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Bei diesem Verfahren wird die Profilierung des Bleches im Wege eines formgebenden Walzprozesses in einen dem Walzvorgang unterworfenen Blechrohling eingebracht. Bei diesem Blech kann es sich um ein Blech aus unterschiedlichen Metallen handeln, beispielsweise Stahlblech, Kupferblech, oder ein Messing- oder Aluminiumblech, nur um beispielhaft einige Materialien aus einer Vielzahl der möglichen geeigneten Materialien zu nennen. Die Profilierung wird durch ein Formwalzenpaar, durch dessen Walzspalt der Blechrohling hindurchgeführt wird, quer zur Transportrichtung des Blechrohlings erzeugt. Zu diesem Zweck sind die Formwalzen des Formwalzenpaares jeweils mit quer zur Rotationsrichtung verlaufenden Formstegen und Formnuten ausgestattet, wobei die Formstege und die Formnuten in einer Wechselfolge angeordnet sind. Von besonderer Bedeutung ist, dass die Formwalzen kämmend, nach Art eines Zahnradeingriffes miteinander für die Zwecke des Profilierens eines Blechrohlings in Eingriff gestellt werden. Dieses bedeutet, dass der Formsteg der einen Formwalze nach Art des Zahnes eines Zahnrades in eine Formnut bzw. zwischen zwei Formstege der anderen Formwalze eingreift. Diese kämmende Ineingriffstellung findet sich naturgemäß nur im Bereich der zueinander weisenden Scheitel der Formwalzen. Da die Oberflächenstrukturen der Formwalzen – die Wechselfolge aus Formstegen und Formnuten – quer zur Rotationsrichtung und somit parallel zur Rotationsachse angeordnet sind, verjüngt sich ausgehend von dem Beginn einer solchen Ineingriffstellung der zwischen den beiden Formwalzen befindliche Walzspalt in Transportrichtung des durch den Walzenspalt geführten Blechrohlings bis zu einem Minimum und vergrößert sich anschließend wieder. Dieses ist für die Durchführung des Verfahrens entscheidend, da die Ausformungen in dem zugeführten Blechrohling, die nach Abschluss des Walzvorganges die gewünschte Profilierung ergeben soll, durch Biegen des Blechrohlings quer zu seiner Transportrichtung erstellt wird. Durch Biegen des Blechrohlinges ist im Unterschied zu einem Tiefziehprozess die Gefahr einer unerwünschten Materialausdünnung in einzelnen Bereichen der Ausformung bzw. Profilierung vermieden. Besonders zweckmäßig ist eine Ausgestaltung, bei der der dem Formwalzenpaar zugeführte Blechrohling, typischerweise von einem Coil abgewickelt wird, ohne oder im Wesentlichen ohne nennenswerte, auf das in dem Walzspalt befindliche Blech entgegen seiner Transportrichtung wirkenden Zugkraft durchgeführt wird.
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Besonders vorteilhaft ist eine Durchführung des Verfahrens, bei der der formgebende Walzprozess in zumindest zwei Phasen durchgeführt wird, wobei diese beiden Phasen Teilphasen des einstichigen Durchlaufens eines Blechstreifens durch den Walzspalt sind. Bei dieser Konzeption sind die beiden Formwalzen hinsichtlich des Walzspaltes so zueinander eingerichtet, dass das Walzspaltminimum der Materialstärke oder etwa der Materialstärke des zugeführten Blechrohlings entspricht. In einer ersten Phase bei diesem Walzverfahren, in dem das typischerweise endlos zugeführte unprofilierte Blech als Blechrohling sukzessive in den hinsichtlich seiner minimalen Weite enger werdenden Walzspalt eingezogen wird, erfolgt eine Vorformung der Ausformungen (Profilierungen). In dieser Phase wird der Blechrohling durch die aufgrund ihrer kämmenden Anordnung immer tiefer in die komplementären Formnuten der anderen Formwalze eingreifenden Formstege eingedrückt. Da das Blech ohne oder zumindest weitestgehend ohne eine entgegen seiner Transportrichtung wirkenden Zugspannung dem Formwalzenpaar zugeführt wird bzw. der durch die Formwalzen induzierten Transportbewegung keine oder zumindest keine nennenswerte Gegenkraft entgegensteht, wird das zugeführte Blech über die Stege gezogen und hierdurch vorgeformt. Der Zug des Blechrohlings über die Formstege der beiden Formwalzen bei ihrem kämmenden Eingriff miteinander bereit das Biegen vor, wie dieses bekannt ist, wenn ein Blatt Papier über eine Tischkante gezogen wird. An diese Vorformphase schließt sich eine Klemmphase über einen bestimmten Drehwinkelbetrag der beiden Formwalzen an. Die Klemmphase liegt dann vor, wenn das vorgeformte Blech das Walzspaltengste erreicht, also diejenige Stelle, in der der Formsteg der einen Formwalze am tiefsten in die komplementäre Nut der anderen Formwalze eingreift. Aus diesem Grunde ist bevorzugt, das Walzspaltengste in der Materialstärke des zugeführten Blechrohlings einzustellen. Die Klemmphase dient auch dazu, einen Bandeinzug in die miteinander kämmenden Formstrukturen der Formwalzen nur von einer Seite – der Bandzuführseite – zu gestatten. Der weitere Durchlauf des Bleches durch den Walzspalt des Formwalzenpaars kommt einem Entformungsprozess gleich, da sich anschließend an die Klemmphase im Zuge der Rotationsbewegung der Formwalzen der Walzspalt öffnet.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die miteinander in Eingriff gestellten Formstrukturen der Formwalzen so aufeinander abgestimmt, dass sich an die Klemmphase eine Ausformphase anschließt. In der Ausformphase, in der die in die Formnuten der einen Formwalze eingreifenden Formstege der anderen Formwalze aus der Ineingriffstellung sukzessive herausbewegt werden, wird die Relativbewegung zwischen den Scheiteln der Formstege und den Böden der Formnuten für die Zwecke der Ausformung genutzt. Die in der Vorformphase gebildete Profilierung wird hinsichtlich des Neigungswinkels der Flanken der ausgebildeten Profilierung ausgeformt bzw. akzentuiert.
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Mit dem vorbeschriebenen Verfahren lassen sich Bleche, beispielsweise aus einem Blechrohling mit einer Materialstärke von weniger als 0,2 mm, insbesondere von 0,1 mm oder etwa 0,1 mm oder sogar weniger erzeugen, wobei die Höhe der erzeugten Profilierung einem Vielfachen – durchaus dem Sechs- bis Zehnfachem der Materialstärke – entsprechen kann und die Flanken der Profilierung nur einen relativ geringen Neigungswinkel gegenüber einer Recheckprofilierung aufweisen. Dieser Neigungswinkel kann weniger als 15 Grad betragen. Dieses Verfahren lässt sich auch an einem Stahlblechrohling durchführen.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
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1: Eine schematisierte Darstellung eines Walzgerüstes zum Herstellen eines querprofilierten Blechbandes,
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2: Einen stark vergrößerten Ausschnitt aus dem Eingriff der beiden Formwalzen der 1,
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3: Die Darstellung der 2 mit einem darin befindlichen Stahlband 4 und
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4: Ein mit dem Walzgerüst der 1 hergestelltes profiliertes Blech in einer Seitenansicht.
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Ein im Übrigen nicht näher dargestelltes Walzgerüst 1 umfasst ein Formwalzenpaar 2. Die beiden Formwalzen des Formwalzenpaars 2 sind mit den Bezugszeichen 3, 3.1 gekennzeichnet. In nicht näher dargestellter Art und Weise wird von einem auf einem Coil (Haspel) aufgewickeltes Stahlblech 4 als Band dem Walzgerüst 1 zum Zwecke seiner Profilierung zugeführt. Das Stahlband 4 weist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Materialstärke von 0,1 mm auf. Die Transportrichtung des Stahlbleches 4 ist durch den Blockpfeil der 1 gezeigt. Die Formwalze 3 ist linksdrehend und die Formwalze 3.1 rechtsdrehend angetrieben. Durch diese Rotationsbewegung wird das Stahlblech 4 in den Walzspalt zwischen den beiden Formwalzen 3, 3.1 eingezogen.
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Die Formwalzen 3, 3.1 weisen, wie aus der vergrößerten Darstellung der 2 ersichtlich eine strukturierte Oberfläche auf, die jeweils durch eine Wechselfolge von Formstegen und Formnuten gebildet ist. Die Formstege und die Formnuten der Formwalzen 3, 3.1 erstrecken sich quer zur Drehrichtung, mithin parallel zur jeweiligen Rotationsachse der Formwalze 3 bzw. 3.1. Die Formstege der Formwalze 3 sind in 2 mit dem Bezugszeichen 5 und die jeweils zwei Formstege 5 trennenden Formnuten mit dem Bezugszeichen 6 markiert. Die Formstege der Formwalze 3.1 tragen das Bezugszeichen 5.1 und die Formnuten der Formwalze 3.1 das Bezugszeichen 6.1. Die Formstege 5, 5.1 und Formnuten 6, 6.1 sind eckig ausgeführt, da mit dem Walzgerüst 1 ein trapezförmig profiliertes Blech (ein Trapezblech) gewalzt werden soll. Die Höhe der durch die Formstege 5 und Formnuten 6 gebildeten Strukturierung der Formwalze 3 ist geringer als diejenige der Formwalze 3.1, und zwar um die Materialstärke des Stahlbandes 4. Die Formstege 5 der Formwalze 3 weisen in Rotationsrichtung der Formwalze 3 eine um den Faktor von etwa 2,5 kürzere Erstreckung auf als die Formstege 5.1 der Formwalze 3.1. Umgekehrt ist dagegen die Erstreckung der Formnuten 6 der Formwalze 3 größer als diejenige der Formnut 6.1 der Formwalze 3.1.
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Zum Durchführen des Walzprozesses wird das Stahlband 4 ohne Gegenkraft von einer Haspel abgewickelt. Die Rate des Abwickelns wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ausschließlich durch den Stahlbandbedarf bestimmt, der sich im Zuge des Durchlaufens des Stahlbandes 4 durch den Walzspalt 7 des Formwalzenpaars 2 ergibt. Die Darstellung der 2 und 3 zeigen, dass sich der Walzspalt 7 bis hin zu dem Walzspaltengsten 8 reduziert und anschließend wieder erweitert. Das Walzspaltengste 8 befindet sich zwischen dem Scheitel 9 eines Formsteges 5.1 der Formwalze 3.1 und dem Boden 10 einer Formnut 6 der Formwalze 3, und zwar an derjenigen Stelle, an der die Scheitel der beiden Formwalzen zueinander weisen. Durch den Eingriff der Formstege 5 bzw. 5.1 der einen Formwalze in die Formnuten 6 bzw. 6.1 der anderen Formwalze sind diese kämmend (nach Art eines Zahnradeingriffes) miteinander in Eingriff gestellt.
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Das in den Walzspalt 7 eingeführte Stahlband 4 wird in einer ersten Phase, die im Rahmen dieser Ausführungen als Vorformphase V bezeichnet ist, vorgeformt. Dieses wird durch die vorbeschriebene Rotation der Formwalzen 3, 3.1 durch die Formstege 5 der Formwalze 3 immer tiefer in die komplementären Formnuten 6.1 der Formwalze 3.1 und mit den Vorsprüngen 5.1 der Formwalze 3.1 in die komplementären Formnuten 6 der Formwalze 3 eingedrückt. Diese Vorformphase V dauert an, bis ein Stahlbandabschnitt in den Bereich des Walzspaltengsten 8 gelangt und sodann zwischen den beiden Formwalzen 3, 3.1 über einen gewissen Drehwinkelbetrag verklemmt gehalten ist. Dieses wird im Rahmen dieser Ausführungen als Klemmphase K angesprochen. Diese Verklemmung wird erreicht durch die eingestellte Walzspaltweite zwischen den beiden Formwalzen 3, 3.1 im Bereich des Walzspaltengsten 8. Durch das sukzessive Eindrücken des Stahlbandes 4 in die Formnuten 6 bzw. 6.1 durch die Formstege 5 bzw. 5.1 wird mangels entgegenstehender Kräfte sukzessive Stahlband 4 von dem Haspel abgewickelt und in den Walzspalt 7 eingezogen. Im Zuge dieses Einziehprozesses wird das Stahlband 4 über die die Formstege 5, 5.1 bildenden Kanten gezogen, wie dieses in 3 schematisiert anhand der neben dem Stahlband 4 innerhalb des Walzspaltes 7 befindlichen Pfeilen dargestellt ist. Dieses Einziehen zusätzlichen Stahlbandes 4 bildet die Grundlage dafür, dass die gewünschte Blechprofilierung als Biegeprozess ohne oder zumindest ohne nennenswerte Materialausdünnung stattfindet. Des Weiteren wird durch Ziehen des Stahlbandes 4 über die Kanten der Formstege 5, 5.1 der Biegeprozess vorbereitet und unterstützt.
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Auch aus dem Grunde des Herüberziehens des Stahlbandes 4 über die Kanten der Formstege 5, 5.1 sind diese als solche ausgebildet. Gleichwohl versteht es sich, dass derselbe Effekt prinzipiell auch erreicht werden kann, wenn die Formstege einen gerundeten Scheitel nach Art eines Zahnradzahnes aufweisen.
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Durch die Bewegung der in die Formnuten 6 bzw. 6.1 eingreifenden Formstege 5, 5.1 und deren Relativbewegung zueinander im Zuge der sich drehenden Formwalzen 3, 3.1 erfolgt die Vorformung. An die Klemmphase K, wobei immer nur die auf den Scheiteln der Formstege 5.1 befindlichen Bandabschnitte einer Klemmung unterworfen sind, schließt sich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Ausformphase A an. Ausgenutzt wird hierbei ebenso wie bei der Vorformphase V die Relativbewegung der in die jeweiligen Formnuten 6 bzw. 6.1 eingreifenden Formstege 5 bzw. 5.1, wodurch das Stahlband 4 hinsichtlich seiner Profilierung ausgeformt wird, mithin auf die Biegestellen nochmals eine Kraft einwirkt.
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4 zeigt das mit dem vorbeschriebenen Verfahren profilierte Stahlband 4, welches nunmehr ein profiliertes Stahlblech 11 ist. Aufgrund seiner Trapezprofilierung kann dieses als Trapezblech angesprochen werden. Die Profilierung zeichnet sich durch eine Wechselfolge von Vertiefungen 12 und Stegen 13 aus. Dabei versteht es sich, dass die Vertiefung 12 der einen Seite des profilierten Stahlbleches 11 einen Steg für die andere Seite desselben darstellt. Dieses Trapezblech zeichnet sich durch eine über seine gesamte Profilierung hinweg weitgehend konstante Materialstärke von 0,1 mm aus. Hervorzuheben ist die besondere Tiefe bzw. Höhe der auf diese Weise erstellten Profilierung, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel etwa dem Sieben- bis Achtfachem der Materialstärke des Stahlbandes 4 entspricht.
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Als Stahlband, welches mit dem vorgeschriebenen Verfahren in ein profiliertes Blech geformt wird, eignet sich beispielsweise ein solches aus einem hoch legiertem Stahl, etwa einem Mo-legierten Stahl.
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Die Beschreibung der Erfindung macht deutlich, dass das profilierte Blech sowohl nach Art eines Trapezbleches, wie dieses in dem Ausführungsbeispiel beschrieben ist, oder auch wellenförmig profiliert hergestellt werden kann. Die Teilung zwischen den profilierte Vertiefungen bzw. Stegen kann gleich oder, wie in dem Ausführungsbeispiel dargestellt, auch ungleich sein.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben worden. Ohne den Umfang der geltenden Ansprüche zu verlassen, ergeben sich für einen Fachmann zahlreiche weitere Ausgestaltungen, die Erfindung verwirklichen zu können, ohne dass diese im Einzelnen näher dargelegt werden müssten. Gleichwohl zählen diese weiteren Ausgestaltungen ebenfalls zum Offenbahrungsgehalt dieser Ausführungen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Walzgerüst
- 2
- Formwalzenpaar
- 3, 3.1
- Formwalze
- 4
- Stahlband
- 5, 5.1
- Formsteg
- 6, 6.1
- Formnut
- 7
- Walzspalt
- 8
- Walzspaltengste
- 9
- Scheitel
- 10
- Boden
- 11
- profiliertes Stahlblech
- 12
- Vertiefung
- 13
- Steg
- A
- Ausformphase
- K
- Klemmphase
- V
- Vorformphase
