DE102011105957A1

DE102011105957A1 - System zum Schneiden von Folie insbesondere für Membran-Elektronen-Einheiten von Brennstoffzellen

Info

Publication number: DE102011105957A1
Application number: DE102011105957A
Authority: DE
Inventors: Dirk Lindenau
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-06-29
Filing date: 2011-06-29
Publication date: 2013-01-03
Also published as: WO2013000495A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zum Schneiden von Folie, insbesondere für Membran-Elektronen-Einheiten von Brennstoffzellen, mit einem Laser (1), der dazu eingerichtet und vorgesehen ist, einen Laserstrahl zum Schneiden der Folie zu erzeugen und einer steuerbaren Ablenkvorrichtung (2), die dazu eingerichtet und vorgesehen ist, den Laserstrahl innerhalb eines Wirkbereichs auf verschiedene Positionen zu lenken. Erfindungsgemäß sind eine Zuführungsvorrichtung, die dazu eingerichtet und vorgesehen ist, die Folie derart entlang einer Achse zu bewegen, dass sich zumindest ein Teil der Folie im Wirkbereich des Laserstrahls befindet und eine Steuervorrichtung (3), die dazu ausgebildet ist, die Ablenkvorrichtung (2) derart zu steuern, dass ein definierter Zuschnitt (8) aus der Folie ausgeschnitten wird, vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zum Schneiden von Folie, insbesondere für Membran-Elektronen-Einheiten von Brennstoffzellen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Schneiden von Folie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
Die Komponenten der Membran-Elektronen-Einheit einer Brennstoffzelle sind Folien-Stücke, die vor dem Zusammenbau aus dem Folienmaterial ausgeschnitten werden müssen. Dabei gibt es besondere Anforderungen an die Schnittqualität der Folien. Es darf beispielsweise kein Kurzschluss zwischen verschiedenen Schichten einer Folie entstehen, die Kanten dürfen nicht abgerissen oder zerstört werden und es muss Fusselfreiheit gewährleistet sein.
Im Stand der Technik sind verschiedene mechanische Schnittmethoden sowie verschiedene Laser-Schnittmethoden, wie zum Beispiel das Laserschneiden mit Dauerstrich oder gepulsten Laserstrahlen bekannt. Diese bekannten Methoden weisen jedoch verschiedene Nachteile auf. Bei den mechanischen Schnittmethoden leidet oft die Schnittqualität, es kann zum Beispiel zu Kantenschädigungen, zu einem sogenannten Verquetschen der Folien oder zu einem Kurzschluss kommen. Auch stumpfen die Schnittwerkzeuge im Laufe der Zeit ab, was die eben benannten Probleme noch verstärkt. Obschon diese Probleme bei den Laser-Schnittmethoden nicht auftreten, ist es bislang nicht möglich, die Folien-Stücke auszuschneiden, während sich die Folie bewegt.
Hiervon ausgehend, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein System und ein Verfahren zum Schneiden von Folie, insbesondere für Membran-Elektronen-Einheiten von Brennstoffzellen bereitzustellen, welche diese Nachteile und Einschränkungen nicht aufweisen.
Dies wird durch ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der wesentliche Gedanke der Erfindung besteht darin, ein System zum Schneiden von Folie, insbesondere für Membran-Elektronen-Einheiten (MEA) von Brennstoffzellen, mit einem Laser, der dazu eingerichtet und vorgesehen ist, einen Laserstrahl zum Schneiden der Folie zu erzeugen und einer steuerbaren Ablenkvorrichtung, die dazu eingerichtet und vorgesehen ist, den Laserstrahl innerhalb eines Wirkbereichs auf verschiedene Positionen zu lenken, zur Verfügung zu stellen. Vorzugsweise sind eine Zuführungsvorrichtung, die dazu eingerichtet und vorgesehen ist, die Folie derart entlang einer Achse zu bewegen, dass sich zumindest ein Teil der Folie im Wirkbereich des Laserstrahls befindet und eine Steuervorrichtung, die dazu ausgebildet ist, die Ablenkvorrichtung derart zu steuern, dass ein definierter Zuschnitt aus der Folie ausgeschnitten wird, vorgesehen. Bevorzugt weist die Folie dabei eine Dicke von 30 μm auf. Indem der Laserstrahl innerhalb des Wirkbereichs auf verschiedene Positionen gelenkt wird, können nicht nur geradlinige Schnitte, sondern in vorteilhafter Weise auch Kurvenlinien verwirklicht und somit gewünschte Formen aus der Folie ausgeschnitten werden.
Vorzugsweise ist die Zuführungseinrichtung dazu ausgebildet, die Folie als Folienbahn von einer Folienrolle abzunehmen und die Folienbahn entlang der Achse zu bewegen. Bei der Zuführungsvorrichtung kann es sich dabei bevorzugt um ein Förderband handeln.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Zuführungseinrichtung dazu ausgebildet, die Folie als Folienbögen entlang der Achse zu bewegen. Dabei folgen die einzelnen Folienbögen einander bevorzugt Stoß an Stoß. Es ist jedoch ebenso möglich, dass sich die einzelnen Folienbögen unter- bzw. überlappen.
Bevorzugt bewegt die Zuführungsvorrichtung die Folie während des Schneidens. Dadurch können in einem definierten Zeitraum eine größere Anzahl von Folienstücken aus der Folie ausgeschnitten werden. Je höher die Geschwindigkeit ist, mit der die Folie bewegt wird, desto mehr Folienstücke können in einem definierten Zeitraum ausgeschnitten werden.
Weiter vorteilhaft ist die Zuführungsvorrichtung so ausgebildet, dass die Geschwindigkeit der Bewegung der Folie gesteuert werden kann. Dies kann beispielsweise durch einen steuerbaren Antrieb der Zuführungsvorrichtung erreicht werden. Es ist aber ebenso die Verwendung jedes anderen geeigneten Systems denkbar. Vorteilhaft kann die Geschwindigkeit sowohl erhöht, als auch verlangsamt werden.
Weiterhin vorzugsweise ist die Steuervorrichtung dazu eingerichtet und vorgesehen, die Geschwindigkeit der Zuführungsvorrichtung zu steuern. Durch das gleichzeitige Steuern der Geschwindigkeit der Bewegung der Folie und der Ablenkvorrichtung ist vorteilhaft eine Überlagerung mehrerer Bewegungen und somit die Realisierung komplizierter Schnittmuster auch während der Bewegung der Folie möglich. Dabei kann also die Bewegung des Laserstrahls mit der Bewegung der Folie überlagert werden. Dazu werden vorteilhaft vorhandene Vorschübe, zueinander geregelt.
Bevorzugt ist eine konstante Geschwindigkeit der Zuführungsvorrichtung vorgesehen, beispielsweise 1,4 m/s. Wenn die Strahlbewegung durch die Ablenkvorrichtung schneller ist als das Band läuft, können auch mehrere Schnitte auf einer Folie ausgeführt werden, indem die Steuervorrichtung den Laserstrahl mittels der Ablenkvorrichtung so lenkt, dass dieser abschnittsweise hin und her springt. Alternativ ist es jedoch auch möglich bei entsprechender Anpassung der weiteren Steuervorrichtung die Geschwindigkeit der Zuführvorrichtung variabel auszugestalten.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Laser als Kurz-Puls-Laser, insbesondere als Ultra-Kurz-Puls-Laser ausgebildet. Dies hat den wesentlichen Vorteil, dass infolge des kurzen Laserpulses der Wärmeeintrag in das Folienmaterial nicht zu hoch ist und infolgedessen die nachteiligen, schädigenden Auswirkungen auf das Folienmaterialien der MEA durch beispielsweise Wulstbildung an der Schnittkante vermieden werden. Zur weiteren Reduzierung des Wärmeeintrags in das Folienmaterial ist es auch möglich, den Laserstrahl mehrmals und zeitlich voneinander ausreichend getrennt über die Schnittkontur zu führen, so dass die Schnittkante werter verbessert wird. In Abhängigkeit des zu schneidenden Folienmaterials und der Foliendicke ist die Leistung des Lasers auszuwählen. Dabei sind grundsätzlich alle geeigneten Laser mit einer entsprechenden Leistung verwendbar, beispielsweise einer Leistung von 50 Watt oder aber auch einer Leistung von 1000 W. Weiterhin vorteilhaft handelt es sich um einen sogenannten Femtosekunden-Laser oder Pikosekunden-Laser, welche einen extrem kurzen Laserpuls und damit einen äußert geringen Wärmeeintrag in das Folienmaterial aufweisen, so dass eine nachteilige Schädigung der Schnittkante durch unerwünschte Aufschmelzungen vermieden wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung handelt es sich um ein Verfahren zum Schneiden von Folie insbesondere unter Verwendung eines Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei ein Laser einen Laserstrahl zum Schneiden der Folie erzeugt, der Laserstrahl mittels einer Ablenkvorrichtung auf verschiedene Positionen innerhalb eines Wirkbereichs gelenkt wird, eine Zuführungsvorrichtung die Folie entlang einer Achse bewegt, so dass zumindest ein Teil der Folie im Wirkbereich des Laserstrahls positioniert wird, die Ablenkvorrichtung und/oder Zuführungsvorrichtung von einer Steuervorrichtung derart gesteuert werden, dass ein definierter Zuschnitt aus der Folie ausgeschnitten wird.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
1 die schematische Übersicht einer bevorzugten Ausführungsform des Systems zum Schneiden eines Folienbogens und
2 die schematische Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform des Systems zum Schneiden einer Folienbahn und
3 die schematische Draufsicht einer bevorzugten Ausführungsform des Systems zum Schneiden einer Folienbahn
In 1 ist schematisch eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems dargestellt, deren zentrale Bestandteile ein Laser 1, eine Ablenkvorrichtung 2, eine Steuervorrichtung 3, ein Folienbogen 4 sowie eine auszuschneidender Zuschnitt 5 sind. Der Laser 1 erzeugt einen Laserstrahl, welcher durch die Ablenkvorrichtung 2 so auf den sich zumindest teilweise im Wirkbereich des Laserstrahls befindlichen Folienbogen gelenkt wird, dass der gewünschte Zuschnitt 5 ausgeschnitten wird. Bevorzugt ist der Laser als Kurz-Puls-Laser, insbesondere als Ultra-Kurz-Puls-Laser ausgebildet. Vorteilhaft beträgt die mittlere Leistung des Lasers 50 W. Weiterhin vorteilhaft handelt es sich um einen sogenannten Femtosekunden-Laser. Die Zuführungseinrichtung ist nicht dargestellt.
In 2 ist die schematische Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems dargestellt, deren zentrale Bestandteile ein Laser 1, eine Ablenkvorrichtung 2, eine Steuervorrichtung 3, eine Folienrolle sowie ein Zuschnitt 5 sind.
Wie in 1 erzeugt der Laser 1 einen Laserstrahl, welcher durch die Ablenkvorrichtung 2 so auf den sich zumindest teilweise im Wirkbereich des Laserstrahls befindlichen Folienbogen gelenkt wird, dass der gewünschte Zuschnitt 5 ausgeschnitten wird. Anders als in 1 ist hier jedoch eine Folienbahn, die von einer Folienrolle 6 abgenommen wird, dargestellt. Erneut ist die Zuführungseinrichtung nicht dargestellt.
In 3 ist die schematische Draufsicht einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems dargestellt, deren zentrale Bestandteile eine Folienbahn 7, ausgeschnittene Zuschnitte 8 sowie der Anfangspunkt 9 und der Endpunkt 10 der Schneidevorgangs sind. Es ist dabei beispielhaft dargestellt, dass der Laserstrahl, vom Anfangspunkt 9 ausgehend, zunächst entlang der Bewegungsachse der Folienbahn 7 entgegen ihrer Bewegungsrichtung gelenkt wird. Dann wird der Laserstrahl über mehrere Stationen zum Anfangspunkt 9 zurückgelenkt, von wo der Rest des Schnittes stattfindet. Das Ergebnis, nämlich die ausgeschnittenen Zuschnitte 8, sind ebenfalls dargestellt.

Claims

System zum Schneiden von Folie, insbesondere für Membran-Elektronen-Einheiten von Brennstoffzellen, mit – einem Laser (1), der dazu eingerichtet und vorgesehen ist, einen Laserstrahl zum Schneiden der Folie zu erzeugen, – einer steuerbaren Ablenkvorrichtung (2), die dazu eingerichtet und vorgesehen ist, den Laserstrahl innerhalb eines Wirkbereichs auf verschiedene Positionen zu lenken, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Zuführungsvorrichtung, die dazu eingerichtet und vorgesehen ist, die Folie derart entlang einer Achse zu bewegen, dass sich zumindest ein Teil der Folie im Wirkbereich des Laserstrahls befindet und – eine Steuervorrichtung (3), die dazu ausgebildet ist, die Ablenkvorrichtung (2) derart zu steuern, dass ein definierter Zuschnitt (8) aus der Folie ausgeschnitten wird, vorgesehen sind.
System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführungseinrichtung dazu ausgebildet ist, die Folie als Folienbahn (7) von einer Folienrolle (6) abzunehmen und die Folienbahn (7) entlang der Achse zu bewegen.
System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführungseinrichtung dazu ausgebildet ist, die Folie als Folienbögen (4) entlang der Achse zu bewegen.
System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführungsvorrichtung die Folie während des Schneidens bewegt.
System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführungsvorrichtung so ausgebildet ist, dass die Geschwindigkeit der Bewegung der Folie gesteuert werden kann.
System gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (3) dazu eingerichtet und vorgesehen ist, die Geschwindigkeit der Zuführungsvorrichtung zu steuern.
System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit der Zuführungsvorrichtung 1,4 m/s beträgt.
System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (1) als Kurz-Puls-Laser, insbesondere als Ultra-Kurz-Puls-Laser ausgebildet ist.
Verfahren zum Schneiden von Folie insbesondere unter Verwendung eines Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweisend die Schritte: – ein Laser (1) erzeugt einen Laserstrahl zum Schneiden der Folie, – der Laserstrahl wird mittels einer Ablenkvorrichtung (2) auf verschiedene Positionen innerhalb eines Wirkbereichs gelenkt, – eine Zuführungsvorrichtung bewegt die Folie entlang einer Achse, so dass zumindest ein Teil der Folie im Wirkbereich des Laserstrahls positioniert wird, – die Ablenkvorrichtung (2) und/oder Zuführungsvorrichtung werden von einer Steuervorrichtung (3) derart gesteuert, dass ein definierter Zuschnitt (8) aus der Folie ausgeschnitten wird.