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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils, insbesondere einer Bipolarplatte mit einem Umformwerkzeug.
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Aus der
WO 2004/047209 A2 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Separatorplatte für eine Brennstoffzelle bekannt. Die Separatorplatte umfasst dabei eine Anzahl von Erhebungen. Diese Erhebungen werden mittels Pressen einer Metallplatte an ein Umformwerkzeug, umfassend eine Anzahl von Vertiefungen, mit Hilfe einer unter Druck stehenden Flüssigkeit oder durch Pressen des Umformwerkzeuges an die Metallplatte mit Hilfe der unter Druck stehenden Flüssigkeit geformt. Die Vertiefungen im Umformwerkzeug korrespondieren dabei mit den in der Metallplatte zu formenden Erhebungen, mit dem Ziel, dass die Separatorplatte die Anzahl von Erhebungen ausweist. Weiterhin wird eine Separatorplatte offenbart, die nach diesem Verfahren hergestellt wird.
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In der
US 6,938,449 B2 ist ein hydraulischer Umformprozess, ein hydraulisches Umformwerkzeug und eine Separatorplatte, welche mittels des hydraulischen Umformprozesses hergestellt wird, offenbart. Bei dem hydraulischen Umformprozess wird ein hydraulisches Umformwerkzeug verwendet. Dabei wird eine Metallplatte auf einen Stützbereich mit einem Vertiefungsbereich aufgelegt, welche an einem unteren Umformwerkzeug angeordnet sind. Das untere Umformwerkzeug ist weiterhin mit einer hydraulischen Flüssigkeit gefüllt. Anschließend wird ein Blechhalter abgesenkt, um einen peripheren Randbereich der auf dem Stützbereich aufgelegten Metallplatte zu arretieren. Dann wird ein oberes Umformwerkzeug relativ zu dem unteren Werkzeug abgesetzt, um einen mittleren Bereich der Metallplatte zu deformieren und die hydraulische Flüssigkeit zusammenzudrücken, wodurch sich der Druck der Flüssigkeit erhöht.
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Dabei wird mittels eines formenden Bereiches eine nach außen gewölbte, rippenhafte Struktur in die Metallplatte geformt. Weiterhin wird der Druck der hydraulischen Flüssigkeit für eine bestimmte Zeit gehalten und dann wieder entlastet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Formteils mit einem Umformwerkzeug anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Untersprüche.
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Bei dem Verfahren zur Herstellung eines Formteils, insbesondere einer metallischen Bipolarplatte, wird dieses mit einem Umformwerkzeug durchgeführt.
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Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass eine Platine, d. h. ein weitgehend ebenes Ausgangsmaterial für das Formteil, im Umformwerkzeug vorgeformt und nach der Vorformung derart erwärmt wird, dass sich ein Rekristallisationsglühen und eine Oberflächendiffusion einstellt und anschließend, vorzugsweise im erwärmten Zustand, endgeformt wird.
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Die Erwärmung des vorgeformten Formteils nach dem erfindungemäßen Verfahren bewirkt im vorgeformten Formteil vorteilhaft, dass unerwünschte Kaltverfestigungen im Material, welche beim Vorformen entstehen, zumindest teilweise beseitigt werden. Die Erwärmung des vorgeformten Formteils über die Rekristallisationstemperatur des Materials fuhrt im Gefüge zum Abbau von Kaltverfestigungen. Damit wird im Gefüge wieder weitestgehend der ursprüngliche Gefügezustand eingestellt, womit die Umformbarkeit des Materials und somit des vorgeformten Formteils signifikant erhöht wird. Gleichzeitig bewirkt die Erwärmung, dass sich mit Hinblick auf die Beschichtung der Platine, vorzugsweise auch ein Lackieren der Platine, eine vorteilhafte Oberflächendiffusion in das Material des vorgeformten Formteils einstellt, womit gezielt Eigenschaftsänderungen herbeigeführt werden können.
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Mittels der Parameter Zeit und/oder Temperaturhöhe beim Erwärmen und gegebenenfalls auch über die Zeit eines anschließenden Abkühlens ist eine gezielte Prozesssteuerung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Einstellung gewünschter Eigenschaften im Material möglich.
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Die Parameter beim Erwärmen und beim dadurch nicht ausgeschlossenen Abkühlen des Formteils können derart geregelt werden, dass beispielsweise noch vor einem Abkühlen des erwärmten und vorgeformten Formteils auf beispielsweise Raumtemperatur das Endformen des erwärmten Formteils erfolgt. Allerdings ist es auch möglich, dass mehrmals ein Erwärmen und/oder Abkühlen des Formteils bis zum Endformen durchgeführt wird.
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In vorteilhafter Weise wird das erwärmte Formteil ohne wesentliche Abkühlung direkt dem Umformwerkzeug zum Endformen zugeführt. Damit kann eine Warmauslagerung vermieden werden und eine weitestgehend durchgehende Bearbeitung des Formteils erfolgen.
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Daher kann mittels des Verfahrens zur Herstellung eines Formteils auf vergleichsweise große Produktionsflächen, die beispielsweise durch eine Lagerung beim Warmauslagern bestehen müssen, verzichtet werden, so dass damit auch eine kostengünstige Herstellung möglich werden kann.
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Das Verfahren weist dazu zweckmäßigerweise die folgenden Schritte auf:
- a) Bereitstellen und Beschichten, d. h. insbesondere Lackieren, der Platine als Ausgangsmaterial für das Formteil,
- b) Einbringen der beschichteten Platine in das Umformwerkzeug und anschließendes Kaltumformen als Vorformen der beschichteten Platine durch das Umformwerkzeug,
- c) Optionales Beschneiden des kaltumgeformten, vorgeformten Formteils zumindest auf ein Teilmaß,
- d) mindestens einmal und zumindest bereichsweise Erwärmen des kaltumgeformten, vorgeformten Formteils,
- e) weiteres Umformen des erwärmten, vorgeformten Formteils und
- f) Beschneiden des erwärmten und umgeformten Formteils auf ein gewünschtes Endmaß.
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Mittels der Beschichtung des Formteils gemäß Schritt a) mit einer verschleißbeständigen und reibungsreduzierenden Schicht kann die Langlebigkeit des Formteils erhöht werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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Dabei zeigt:
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1 Ein Blockschaltbild eines Verfahrens zum Umformen eines Formteils.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein Blockschaltbild eines Verfahrens zum Umformen eines Formteils mit einem nicht dargestellten Umformwerkzeug, umfassend eine Anzahl von Schritten a) bis f).
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Das Formteil ist beispielsweise als eine Metallplatte ausgebildet.
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Im ersten Schritt a) wird das Formteil bereitgestellt und mit einer verschleißbeständigen Schicht versehen.
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Beispielsweise wird die Schicht des Formteils mittels kathodischer Elektrotauchlackierung gebildet. Die kathodische Elektrotauchlackierung ist ein elektrochemisches Lackierverfahren, in welchem das Formteil in einen elektrisch leitfähigen und wässrigen Tauchlack eingetaucht wird.
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Alternativ dazu ist auch eine sogenannte Bandlackierung möglich. Das Bandlackieren ist ein kontinuierliches, automatisiertes Verfahren zur Lackierung von Material aus aufgewickeltem Bandmetall. Dabei wird üblicherweise das abgerollte Bandmetall einer Bandlackiermaschine zugeführt.
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Die Beschichtung hat den Vorteil, dass das Formteil reibungsreduzierende und verschleißbeständige Eigenschaften aufweist.
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Im zweiten Schritt b) wird das Formteil in das Umformwerkzeug eingebracht. Das Umformwerkzeug ist dazu als ein mindestens zweiteiliger, eine Kavität bildender Verbundkörper mit einem ersten Körper und einem zweiten Körper ausgebildet.
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Der erste Körper ist dabei dem zweiten Körper gegenüberliegend angeordnet.
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Der erste Körper weist an seiner dem zweiten Körper zugewandten Seite ein Umformprofil als Positivkontur des herzustellenden Profils des Formteils auf, welches als ein Umformbereich des Umformwerkzeuges definiert ist.
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Der zweite Körper weist an seiner dem ersten Körper zugewandten Seite eine Aussparung und einen Kanal, welcher durch den zweiten Körper verläuft, auf. Die Aussparung ist dabei mit dem Kanal verbunden. Durch den Kanal kann ein gasförmiges und/oder flüssiges Medium unter Druck in die Aussparung fließen.
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Das Umformprofil des ersten Körpers und die Aussparung des zweiten Körpers bilden dabei die Kavität des Umformwerkzeuges.
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Das Formteil wird zum Zwecke eines ersten Umformens somit zwischen dem ersten und zweiten Körper angeordnet.
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Die Temperatur des Formteils liegt zu diesem Zeitpunkt unter der Rekristallisationstemperatur des Formteils, welche als eine Temperatur definiert ist, bei welcher das Formteil vollständig rekristallisiert und welche unterhalb der Schmelztemperatur des Formteils liegt.
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Daher entspricht das erste Umformen einem Kaltumformen.
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Dabei fließt das druckbeaufschlagte Medium durch den Kanal in die Aussparung des zweiten Körpers und erzeugt eine Kraft auf das Formteil, welches dadurch an das Umformprofil des ersten Körpers gepresst wird.
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Hier tritt unter anderem das Problem auf, dass sich während des Kaltumformens des Formteils eine Anzahl auftretender Gitterfehler trifft und diese sich gegenseitig in ihrer Bewegung behindern.
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Um das Formteil weiter umzuformen, ist eine größere Spannung notwendig, was zu einer Erhöhung des mechanischen Widerstandes sowie der gespeicherten Energie im Kristallgitter des Formteils und folglich zu einer Verringerung des Umformvermögens des Formteils führt.
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Daher wird der Druck des Mediums so geregelt, dass das Formteil nicht vollständig in das Umformprofil des ersten Körpers gepresst wird und somit das kaltumgeformte Formteil nicht vollständig mit dem Umformprofil des ersten Körpers korrespondiert, womit die Anzahl auftretender Gitterfehler weitestgehend klein gehalten wird.
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Im dritten Schritt c) wird nach dem Kaltumformen das kaltumgeformte Formteil in ein Werkzeug eingebracht, um dieses zumindest auf ein Teilmaß zu beschneiden.
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Um die kleine Anzahl auftretender Gitterfehler abzubauen und damit den mechanischen Widerstand des Formteils zu verringern, wird im vierten Schritt d) das Formteil mindestens einmal und vollständig oder zumindest teilweise erwärmt, so dass die Temperatur des Formteils der Rekristallisationstemperatur des Formteils entspricht.
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Dazu wird das kaltumgeformte Formteil dem Umformwerkzeug entnommen und in einer entsprechenden Vorrichtung, beispielsweise einem Ofen, erwärmt. Alternativ dazu kann die Erwärmung mittels Infrarot, Laser, Induktion, Ultraschall und/oder anderen konduktiven Verfahren erfolgen.
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Das Erwärmen ermöglicht weiterhin eine Oberflächendiffusion der beschichteten Oberfläche des Formteils, was zu einem erhöhten Korrosionsschutz und damit zu einer erhöhten Langlebigkeit des Formteils führt.
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Die Parameter beim Erwärmen und beim dadurch nicht ausgeschlossenen Abkühlen des Formteils können durchaus derart geregelt werden, dass beispielsweise noch vor einem Abkühlen des erwärmten Formteils auf die Temperatur, die es während des Kaltumformens aufweist, einem weiteren Umformen im fünften Schritt e) unterworfen wird.
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Alternativ dazu ist auch ein mehrmaliges Erwärmen und/oder Abkühlen des Formteils bis zum weiteren Umformen möglich.
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Das im fünften Schritt e) durchgeführte, weitere Umformen erfolgt in vorteilhafter Weise mit dem bereits zum Kaltumformen verwendeten Umformwerkzeug, was Kosten spart. Alternativ dazu ist es auch möglich, dass das weitere Umformen mit einem weiteren, Umformwerkzeug erfolgt.
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Zweckmäßigerweise ist das Umformwerkzeug zum weiteren Umformen erwärmt, womit ein eventuelles Abkühlen des Formteils vermindert werden kann. Das weitere Umformen entspricht somit einem Warmumformen.
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Mittels des weiteren Umformens wird dann eine Endform in das Formteil gepresst. Die Endform korrespondiert dabei mit dem Umformprofil des ersten Körpers.
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Beispielsweise ist das Formteil ein Teil einer Bipolarplatte, welche aus zwei geformten Metallplatten besteht, die mittels Laserschweißen zusammengefügt werden.
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Anschließend wird im sechsten Schritt f) das Formteil auf ein gewünschtes Endmaß beschnitten, wozu dieses wieder in das Werkzeug eingebracht wird.
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Weiterhin kann die Endform des Formteils auch abgekantet und/oder gelocht werden.
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Damit sind ein Verfahren und ein Umformwerkzeug zum Umformen eines Formteils geschaffen, mittels welchem ein flexibel anpassbarer Produktionsausstoß an Formteilen mit einem hohen Umformungsvermögen möglich ist.
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Weiterhin ermöglicht das Warmumformen eine kurze Durchlaufzeit des Umformprozesses, da die Formteile nicht weiter gekühlt und daher nicht weiter ausgelagert werden müssen. Der Umformprozess wird somit nicht weiter unterbrochen und es kann schneller auf Kundenanforderungen in der Stückzahl reagiert werden, was unter anderem eine aufwendige Lagerhalterung vermeidet und damit Kosten spart.
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Ferner ermöglicht das hohe Umformvermögen die Realisierung komplexer Profilstrukturen im Formteil, so dass beispielsweise Bipolarplatten mit engen und tiefen Kanälen gefertigt werden können, was zu einer Effizienzsteigerung einer Brennstoffzelle und folglich in einem Brennstoffzellenstapel führt.
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Bezugszeichenliste
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- a)
- erster Schritt
- b)
- zweiter Schritt
- c)
- dritter Schritt
- d)
- vierter Schritt
- e)
- fünfter Schritt
- f)
- sechster Schritt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2004/047209 A2 [0002]
- US 6938449 B2 [0003]
