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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Eine Brennstoffzelle wurde als saubere, effiziente und umweltverträgliche Leistungsquelle für verschiedene Anwendungen vorgeschlagen. Insbesondere können einzelne Brennstoffzellen in Reihe zusammen gestapelt werden, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden, der eine Elektrizitätsmenge liefern kann, die ausreicht, um ein Elektrofahrzeug anzutreiben. Der Brennstoffzellenstapel wurde als eine mögliche Alternative für einen in modernen Fahrzeugen genutzten herkömmlichen Verbrennungsmotor erkannt.
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Brennstoffzellen sind elektrochemische Vorrichtungen, welche Brennstoff wie zum Beispiel Wasserstoff und ein Oxidationsmittel wie zum Beispiel Sauerstoff kombinieren, um Elektrizität zu erzeugen. Der Sauerstoff wird typischerweise von einem Luftstrom geliefert. Der Wasserstoff und Sauerstoff kombinieren, was die Bildung von Wasser zur Folge hat. Andere Brennstoffe wie Erdgas, Methanol, Benzin und kohlestämmige synthetische Kraftstoffe können beispielsweise genutzt werden.
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Ein Typ einer Brennstoffzelle ist als Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran (PEM) bekannt. Die PEM-Brennstoffzelle enthält typischerweise drei Basiskomponenten: eine Kathode, eine Anode und eine Elektrolytmembran. Die Kathode und Anode enthalten typischerweise einen fein verteilten Katalysator wie zum Beispiel Platin, der auf Kohlenstoffpartikel getragen wird und mit einem Ionomer gemischt ist. Die Elektrolytmembran ist sandwichartig zwischen der Kathode und der Anode angeordnet, um eine Membran-Elektrolyt-Anordnung (MEA) zu bilden.
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In einer typischen Brennstoffzelle vom PEM-Typ ist die MEA sandwichartig zwischen Diffusionsmedien oder Diffusionsschichten angeordnet, die aus einem federnden, leitenden und gaspermeablen Material wie zum Beispiel Kohlefaser oder -papier geschaffen sind. In bestimmten Entwürfen sind die Kathode und die Anode auch auf den Diffusionsmedien ausgebildet und nehmen die Elektrolytmembran sandwichartig auf. Die Diffusionsmedien dienen als Stromkollektoren für die Anode und Kathode und schaffen eine mechanische Abstützung für die MEA. Die Diffusionsmedien und MEA werden zwischen ein Paar elektronisch leitende Bipolarplatten gepresst, welche auch als Stromkollektoren zum Sammeln des Stroms aus der elektrochemischen Brennstoffzellenreaktion dienen.
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Die Bipolarplatte enthält typischerweise zwei dünne, gegenüberliegende Unipolarplatten aus Metall. Eine der Unipolarplatten aus Metall ist eine Anodenplatte, die einen Strömungsweg auf einer äußeren Oberfläche davon zur Abgabe eines Wasserstoffreaktants an die Anode der MEA definiert. Eine äußere Oberfläche der anderen Unipolarplatte, bekannt als Kathodenplatte, definiert einen Strömungsweg für den Oxidationsmittel-Reaktanten zur Abgabe an die Kathodenseite der MEA. Wenn die Unipolarplatten verbunden werden, definieren die verbundenen Oberflächen einen Weg für ein Kühlmittelfluid, um dort hindurch zu strömen.
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Die Unipolarplatten werden typischerweise aus einem formbaren Metall hergestellt, das eine geeignete Festigkeit, elektrische Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit liefert. Insbesondere werden typischerweise gestanzte dünne Metallbleche für die Unipolarplatten der Anode und Kathode beim Herstellen der Bipolarplatte verwendet. Zum Beispiel kann das Metallblech eine Dicke von weniger als etwa 100 Mikrometer aufweisen. Das dünne Material und die hohe Festigkeit des rostfreien Stahlmaterials bewirken eine signifikante laterale Rückfederung (in der Ebene). Es wurde gezeigt, dass die Rückfederung von mehr als 400 - 500 Mikrometer erreichen kann. Die Rückfederung bewirkt eine ungleichmäßige Verteilung eines Strömungsfeldes, das in die Plattenanordnung gestanzt ist, was eine Funktionalität der resultierenden Bipolarplatte und des Brennstoffzellenstapels in unerwünschter Weise beeinflusst.
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Wie in 1 gezeigt ist, kann die große Rückfederung in der Bipolarplatte 100 typische Toleranzen weit überschreiten. Die große Rückfederung, falls nicht ausreichend kompensiert in einem Werkzeug, das genutzt wird, um die Bipolarplatte 100 zu formen, kann eine Beeinträchtigung 102 zwischen Unipolarplatten 104, 106 der Kathode und Anode während eines Zusammenbaus der Bipolarplatte 100 verursachen.
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Um die laterale Rückfederung einer Bipolarplatte zu kompensieren, kann ein Verfahren, um entweder eine globale oder lokale Umformung (engl. morphing) zu nutzen, um Formgebungs- bzw. Stanzwerkzeuge zum Stanzen der Bipolarplatten zu entwerfen und auszuschneiden, genutzt werden. Für eine verhältnismäßig große Rückfederung (verglichen mit einer Merkmalgröße und Entwurfstoleranz), zum Beispiel mehr als 200 Mikrometer, können jedoch die Einschrittverfahren, wenn versucht wird, eine notwendige Genauigkeit zu erreichen, aufgrund der großen Oberflächenumformung in unerwünschter Weise eine starke Oberflächenverformung hervorrufen.
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Es besteht ein anhaltender Bedarf an einem Verfahren, das eine stabile und zuverlässige Oberflächenkompensation mit hoher Genauigkeit und Oberflächenqualität für eine große laterale Rückfederung von Bipolarplatten von Brennstoffzellen liefert, um die Anforderungen der Herstellung und der Montage durchwegs zu erfüllen.
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Die Druckschrift
US 2003 / 0 182 005 A1 beschreibt ein herkömmliches Verfahren zur Herstellung einer Pressform für ein Metallteil, welches die Rückfederung des Metallteils nach dem Pressen berücksichtigt. Zu diesem Zweck wird eine maßgenaue Urform hergestellt, wobei die Rückfederung ermittelt wird und die Rückfederung in der Urform kompensiert wird. Weiterhin ist aus der Präsentation „HyperMorph 10.0“ der Firma Altair Engineering, Inc, Troy, Michigan, USA (http://blog.altair.co.kr/wp-content/uploads/2011/03/hypermorph.pdf, abgerufen am 23.11.2017) bekannt, dass ein Umformungsprozess iterativ oder in mehreren Schritten erfolgen kann.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung wurde überraschend ein Verfahren entdeckt, das eine stabile und zuverlässige Oberflächenkompensation mit hoher Genauigkeit und Oberflächenqualität für eine große laterale Rückfederung von Bipolarplatten von Brennstoffzellen liefert, um die Anforderungen der Herstellung und Montage durchwegs zu erfüllen.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle umfasst das Bereitstellen eines ursprünglichen Modells der Bipolarplatte für eine Nominal-Form der Bipolarplatte und für eine Federungs-Form der Bipolarplatte. Ferner wird eine Projektion entlang einer Oberflächennormalen der Nominal-Form erzeugt, wobei Knoten der Nominal-Form an eine CAD-Oberfläche angepasst werden. Außerdem wird eine Projektion entlang einer Oberflächennormalen der Federungs-Form erzeugt, wobei Knoten der Federungs-Form an die CAD-Oberfläche angepasst werden. Es wird ein Kompensationsprozesses an dem ursprünglichen Modell durchgeführt, wobei der Kompensationsprozess einen Umformungsprozess in zwei Schritten beinhaltet und der Umformungsprozess in zwei Schritten ein kompensiertes Modell der Bipolarplatte liefert. Anschließend wird eine kompensierte Stanzwerkzeugfläche erzeugt, basierend auf dem kompensierten Modell der Bipolarplatte, wobei die Bipolarplatte mit der kompensierten Stanzwerkzeugfläche mit einer Rückfederungskompensation hergestellt wird.
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Um das Problem der Kompensation einer großen Rückfederung zu lösen, wurde das Zweischritt-Kompensationsverfahren der vorliegenden Offenbarung entwickelt und beinhaltet in einer besonderen Ausführungsform die folgenden Schritte.
- 1. Die laterale Rückfederung wird vorhergesagt, indem ein 3D-Finite-Element-Verfahren genutzt wird. Eingabedaten für Nominal- und Federungs-Formen (engl. sprung shapes) einer gestanzten Bipolarplatte werden aus einem 3D-FEA-Modell erhalten.
- 2. Aufgrund der Materialabdünnung bei der plastischen Verformung stimmt die Nominalform des gestanzten Teils nicht exakt mit den nominalen CAD-Daten überein. Eine Projektion entlang der Oberflächennormalen wird durchgeführt, um die Knoten des Nominalteils zurück zu den CAD-Oberflächen zu bringen, und die entsprechende Einstellung wird an der Federungs-Form vorgenommen. Dieser Prozess erzeugt ein projiziertes Paar Datensätze für Nominal- und Federungs-Formen zur Kompensation.
- 3. Die Umformung im ersten Schritt ist eine globale Umformung mit Eingabe einer ursprünglichen CAD-Oberfläche und der projizierten Nominal- und Federungs-Daten aus Schritt 2. Das Hauptziel der Umformung der ersten Stufe besteht darin, die Platte unter Verwendung einer offenen Randbedingung ohne Fokussieren auf die lokalen Merkmaldetails zu ihrer genäherten Endform global zu modifizieren (das heißt zu strecken oder zu schrumpfen). Schlüsselparameter werden auf den mehreren Steuerungspunkten eines Volumen-B-Spline und der maximalen Zahl von Intervallen für die Basisfunktion basierend auf den Abmessungen der Bipolarplatte bestimmt.
- 4. Die Umformung im zweiten Schritt wird auf die durch die Umformung der ersten Stufe modifizierte Oberfläche gestützt. Die Nominalform ist die Ausgabe aus der Umformung der ersten Stufe, und die Zielform für eine Kompensation sind die gleichen Daten, wie sie in der Umformung der ersten Stufe genutzt wurden. Eine Matrix überlappender Kästen für lokale Umformungen bzw. lokaler Umformungskästen wird genutzt, um die gesamte Platte so abzudecken, dass die Oberfläche zu den geforderten Zieldetails, zum Beispiel innerhalb einer Toleranz von 1 Mikrometer, umgeformt werden kann. In der zweiten Stufe ist die Oberflächenumformung innerhalb jedes lokalen Kastens auf einen sehr kleinen Betrag (zum Beispiel wenige Mikrometer bis 20 - 30 Mikrometer, verglichen mit einigen hundert Mikrometer einer großen Rückfederung) beschränkt. Daher wird die Oberflächenverformung vermieden, und eine gute Oberflächenqualität (d.h. gleich wie eine ursprüngliche CAD-Oberfläche) kann erreicht werden.
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Die Umformung in zwei Schritten ist verglichen mit einem Einschritt-Ansatz revolutionär. Sie nutzt sowohl eine globale Umformung als auch eine Umformung im lokalen Kasten bzw. lokale Kastenumformung. Zusätzlich zu Bipolarplatten für Brennstoffzellen kann das vorliegende Zweischrittverfahren auch für große und verdrehende Rückfederungen für Autoteile aus hochfestem Stahl und Aluminium genutzt werden. Die Rückfederung für Dachrinnen kann leicht beispielsweise 20 mm erreichen. Die Kompensationsprozesse nach dem Stand der Technik können die Rückfederung nicht vollständig effektiv eliminieren. Das Zweischrittverfahren ist eine praktikable Alternative, um diese Art einer Kompensation einer großen Rückfederung in gestanzten Teilen aller Art zu lösen.
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In einer anderen Ausführungsform nutzt das Zweischrittverfahren der vorliegenden Offenbarung die globale Kompensation, um zuerst Oberflächen für einen großen nichtlinearen Abschnitt einer Rückfederung umzuformen, und verwendet dann ein lokales Umformungsverfahren, um die verbleibende Rückfederung mit Fokus auf die feinen und detaillierten Merkmale zu kompensieren. Das Verfahren liefert in vorteilhafter Weise kompensierte CAD-Oberflächen mit der gleichen Qualität wie der ursprüngliche Entwurf für sowohl eine große als auch eine kleine Rückfederung und erfüllt Genauigkeitsanforderungen, zum Beispiel eine Toleranz von 1 Mikrometer, durchwegs für eine große Rückfederung. Eine Dateigröße der kompensierten CAD-Datei, die mit dem Verfahren erzeugt wird, ist viel kleiner als bei Verfahren nach dem Stand der Technik. Die kompensierte CAD erfordert auch eine verhältnismäßig kurze Vorverarbeitungszeit und Computerlaufzeit und kann für Prozesse einer maschinellen bzw. mechanischen Bearbeitung direkt genutzt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren zum Herstellen eines gestanzten Teils die Schritte, bei denen ein ursprüngliches Modell des gestanzten Teils geliefert und ein Kompensationsprozess an dem ursprünglichen Modell durchgeführt wird. Der Kompensationsprozess beinhaltet einen Umformungsprozess in zwei Schritten. Der Umformungsprozess in zwei Schritten liefert ein kompensiertes Modell des gestanzten Teils. Ein kompensiertes Werkzeug wie zum Beispiel eine Formgebungs- bzw. Stanzwerkzeugfläche wird basierend auf dem kompensierten Modell des gestanzten Teils geschaffen.
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In einer beispielhaften Ausführungsform ist der gestanzte Teil eine Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel, und der Umformungsprozess in zwei Schritten beinhaltet einen Prozess einer globalen Oberflächenumformung und einen Prozess einer lokalen Oberflächenumformung.
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Figurenliste
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Die obigen sowie andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann leicht ersichtlich werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, wenn sie im Lichte der beigefügten Zeichnungen betrachtet wird, in welchen:
- 1 eine schematische fragmentarische Seitenaufrissansicht eines Finite-Element-Modells für eine Bipolarplatte ohne Kompensation ist, wobei die Bipolarplatte aus einer Kathodenplatte und einer Anodenplatte gebildet ist und eine Beeinträchtigung zwischen ihnen aufgrund einer Rückfederung aufweist;
- 2 eine schematische Veranschaulichung eines Umformungsprozesses in zwei Schritten der vorliegenden Offenbarung ist, um eine Rückfederung zu berücksichtigen;
- 3 ein Flussdiagramm ist, das ein primäres Verfahren zum Herstellen einer rückfederungskompensierten Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
- 4 ein Flussdiagramm ist, das einen Kompensationsprozess des Entwurfs- und Herstellverfahrens der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
- 5 ein Flussdiagramm ist, das eine Analyse eines ursprünglichen Modells in dem in 4 dargestellten Kompensationsprozess veranschaulicht;
- 6 ein Flussdiagramm ist, das einen Umformungsprozess in zwei Schritten in dem in 4 dargestellten Kompensationsprozess veranschaulicht;
- 7 ein Flussdiagramm ist, das einen globalen Oberflächenumformungsprozess in dem in 6 dargestellten Umformungsprozess in zwei Schritten veranschaulicht;
- 8 ein Flussdiagramm ist, das einen Prozess einer Oberflächenumformung in lokalen Kästen in dem in 6 dargestellten Umformungsprozess in zwei Schritten veranschaulicht;
- 9 ein Flussdiagramm ist, das einen Vorverarbeitungsschritt in dem in 8 dargestellten Prozess einer Oberflächenumformung in lokalen Kästen veranschaulicht;
- 10 ein Flussdiagramm ist, das eine Ausführung der Oberflächenkompensation in lokalen Kästen in dem in 8 dargestellten Umformungsprozess in zwei Schritten veranschaulicht;
- 11 ein Flussdiagramm ist, das eine Berechnung einer Batch-Prozedur zur lokalen Umformung in dem in 9 dargestellten Umformungsprozess in zwei Schritten veranschaulicht;
- 12 eine schematische Veranschaulichung einer Netzoberfläche ist, die in einem einzelnen lokalen Kasten eingebettet ist, der im Kompensationsprozess der vorliegenden Offenbarung genutzt wird;
- 13 eine schematische Veranschaulichung eines einzelnen lokalen Umformungskastens ist, die einen inneren Kasten und einen äußeren Kasten und eine Region zeigt, wo Umformungsvektoren innerhalb des einzelnen lokalen Umformungskastens verschieben können; und
- 14 eine schematische Veranschaulichung mehrerer lokaler Umformungskästen ist, die übereinandergelegt sind, um eine Umformung durchzuführen, und innere Kästen von jedem der lokalen Umformungskästen zeigt, die der Genauigkeit wegen überlappen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die folgende detaillierte Beschreibung und beigefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und Zeichnungen dienen dazu, dem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung umzusetzen und zu nutzen. Im Hinblick auf die offenbarten Verfahren sind die präsentierten Schritte in ihrer Art beispielhaft, und somit ist die Reihenfolge der Schritte nicht notwendig oder entscheidend.
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2 zeigt schematisch ein Verfahren zum Entwerfen und Herstellen eines gestanzten Teils gemäß der vorliegenden Offenbarung. Obgleich das gestanzte Teil hierin weitgehend als eine Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel beschrieben wird, sollte man erkennen, dass das Verfahren der vorliegenden Offenbarung auch auf andere gestanzte Teile anwendbar ist, die eine Rückfederung zeigen. Das Verfahren beinhaltet zuerst ein Liefern eines ursprünglichen Modells des gestanzten Teils, beispielsweise identifiziert durch eine ursprüngliche Oberfläche 200. Auf das ursprüngliche Modell wird dann ein Kompensationsprozess angewendet. Der Kompensationsprozess schließt einen Umformungsprozess in zwei Schritten ein. Der Umformungsprozess in zwei Schritten beinhaltet einen globalen Oberflächenumformungsprozess und einen lokalen Oberflächenumformungsprozess. Der globale Umformungsprozess im ersten Schritt bewegt die ursprüngliche Oberfläche 200 zu einer globalen umgeformten Oberfläche 202 für eine große Rückfederungskompensation, beispielsweise eine Rückfederung von mehr als 200 Mikrometer (verglichen mit Teilmerkmalen im Fall von Bipolarplatten), basierend auf einer Vorhersage einer Rückfederung in dem gestanzten Teil. Der lokale Oberflächenumformungsprozess im zweiten Schritt bewegt die globale umgeformte Oberfläche 202 zu einer umgeformten Zieloberfläche 204. Die umgeformte Zieloberfläche 204 kompensiert detaillierte Merkmale des gestanzten Teils. Der Umformungsprozess in zwei Schritten liefert ein kompensiertes Modell des gestanzten Teils mit der umgeformten Zieloberfläche 204. Ein kompensiertes Werkzeug wie zum Beispiel eine auf dem kompensierten Modell des gestanzten Teils basierende Stanzwerkzeugfläche kann daraus geschaffen werden. Das mit dem kompensierten Werkzeug hergestellte gestanzte Teil hat bessere Abmessungen verglichen mit einem einfach auf gewünschten oder nominellen Abmessungen des gestanzten Teils basierenden geschnittenen Werkzeug.
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3 zeigt einen primären Prozess 300 zum Erzeugen einer kompensierten Stanzwerkzeugfläche und eines kompensierten CAD-Modells aus einem ursprünglichen CAD-Modell gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Der primäre Prozess 300 beginnt mit einem ursprünglichen Modell 302, beispielsweise einem Volumenmodell aus einem CAD-System. Das ursprüngliche Modell 302 wird in einem Kompensationsprozess 304 verwendet, um ein rückfederungskompensiertes Modell zu erzeugen. Ein rückfederungskompensiertes Werkzeug wie zum Beispiel eine Stanzwerkzeugoberfläche kann aus dem rückfederungskompensierten Modell in einem Herstellschritt 306 erzeugt werden.
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Der Kompensationsprozess 304 ist in 4 veranschaulicht. Der Kompensationsprozess 304 beinhaltet zuerst den Schritt eines Extrahierens 400 einer Modelloberfläche 402 aus dem ursprünglichen Modell 302. Die Oberfläche 402 des Volumenmodells wird genutzt, um Netzdaten zu erzeugen, und für eine Finite-Element-Analyse in einem Schritt 402, was Netzdaten 406 für ein umgeformtes Nominalteil und Federungs-Netzdaten 408 (engl. sprung mesh data) ergibt. Die Oberfläche 402 des Volumenmodells, die Netzdaten 406 für das umgeformte Nominalteil und die Federungs-Netzdaten 408 werden in einem Umformungsprozess 410 in zwei Schritten verwendet, um eine kompensierte Oberfläche 412 zu schaffen. Die kompensierte Oberfläche 402 wird zu einem Stanzwerkzeugmodell 414 hinzugefügt, das genutzt wird, um das rückfederungskompensierte Werkzeug 306 zu erzeugen.
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Bezug nehmend nun auf 5 wird der Schritt 404 zum Erzeugen der Netzdaten und für die Finite-Element-Analyse weiter dargestellt. Der Schritt 404 beinhaltet zuerst einen Extraktionsschritt 500, in welchem Netzdaten 502 eines Nominal-Werkzeugs aus einer Werkzeugoberfläche extrahiert werden, die genutzt wird, um die Modelloberfläche 402 aus dem ursprünglichen Modell 302 zu erzeugen. Die Netzdaten 502 eines Nominal-Werkzeugs werden in einer Finite-Element-Analyse 504 eines Formungs-, Rückfederungs- und Klemmprozesses genutzt. Die Finite-Element-Analyse 504 ergibt das Netz 406 für das geformte Nominalteil und das Netz 408 für das Federungs-Teil.
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Der Umformungsprozess 410 in zwei Schritten ist in 6 weiter dargestellt. Der Umformungsprozess 410 in zwei Schritten beginnt mit einem Schritt 600 zum Extrahieren von Nominalknoten 602 aus dem Netz 406 für das geformte Nominalteil, und einem Schritt 604 zum Extrahieren von Federungs-Knoten (engl. sprung nodes) und Erzeugen von Vektoren, um die Federungs-Knoten einzustellen und zu skalieren, um kompensierte Knoten 606 zu liefern. Die Nominalknoten 602 und die kompensierten Knoten 606 werden in einem globalen Oberflächenumformungsprozess 608 im ersten Schritt verwendet. Der globale Oberflächenumformungsprozess 608 im ersten Schritt ergibt eine umgeformte Nominaloberfläche 610 und umgeformte Nominalknoten 612. Die umgeformte Nominaloberfläche 610 und die umgeformten Nominalknoten 612 werden dann zusammen mit den kompensierten Knoten 606 in einem lokalen Oberflächenumformungsprozess 614 in einem zweiten Schritt verwendet, um die kompensierte Oberfläche 412 zu liefern.
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Mit Verweis auf 7 wird der globale Oberflächenumformungsprozess 608 im ersten Schritt weiter dargestellt. Die Modelloberfläche 402, die Nominalknoten 602 und die kompensierten Knoten 606 werden in dem globalen Oberflächenumformungsprozess 608 im ersten Schritt verwendet. Die Modelloberfläche 402 und die Nominalknoten 602 werden in einem Schritt 700 zum Berechnen einer Modellgröße oder -ausdehnung verwendet. Die berechneten Parameter aus dem Schritt 700 werden dann in einem Schritt 702 addiert, um einen globalen Kasten zu erzeugen. Die Modelloberfläche 402, die Nominalknoten 602 und die kompensierten Knoten 606 werden dann zusammen mit dem globalen Kasten genutzt, um eine globale Umformung 704 über eine gesamte Oberflächengeometrie der Modelloberfläche 402 durchzuführen. Die globale Umformung 704 ergibt die umgeformte Nominaloberfläche 610 und die umgeformten Nominalknoten 612.
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8 stellt ferner den lokalen Oberflächenumformungsprozess 614 im zweiten Schritt dar. Die umgeformte Nominaloberfläche 610 und die umgeformten Nominalknoten 612 aus dem globalen Oberflächenumformungsprozess 608 im ersten Schritt werden in einem Vorverarbeitungsschritt 800 verwendet, um eine Datei 802 für Umformungs-Nominalknoten für jeden lokalen Kasten 1300 (schematisch dargestellt in 13 und 14) und eine Datei 804 für kompensierte Knoten für jeden lokalen Kasten 1300 zu erzeugen. Der Vorverarbeitungsschritt 800 erzeugt ferner eine Umformungs-Batch-Prozedur 806, die Definitionen lokaler Kästen für jeden lokalen Kasten enthält. Die Umformungs-Nominalknoten 802, die Dateien 804 für kompensierte Knoten und die Umformungs-BatchProzedur 806 werden in einem Schritt 808 zur Ausführung einer lokalen Oberflächenumformung verwendet, um die kompensierte Oberfläche 412 zu erzeugen. Es sollte erkannt werden, dass sich die lokalen Kästen 1300 überlappen und eine Teilmenge von Nominal- und Kompensationspunkten in jedem lokalen Kasten 1300 durch die Umformung im zweiten Zustand verfolgt werden, um den manuellen Aufwand, Computerzeit und RAM-Speicheranforderungen zu reduzieren.
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Der Vorverarbeitungsschritt 800 des lokalen Oberflächenumformungsprozesses 614 im zweiten Schritt ist in 9 weiter veranschaulicht. Der Vorverarbeitungsschritt 800 enthält einen Schritt 900 zum Bestimmen einer Größe lokaler Kästen und Basisfunktionen für einen einzigen lokalen Kasten 1300 basierend auf Merkmalgrößen der umgeformten Nominaloberfläche 610. Die bestimmte lokale Kastengröße und Basisfunktionen für einen einzigen lokalen Kasten 1300 werden zusammen mit den umgeformten Nominalknoten 612 in einem Schritt 902 verwendet, um eine Modellgröße oder -ausdehnung zu berechnen, und anschließend in einem Schritt 904, um ein lokales Kastenlayout zu berechnen. In einem nächsten Schritt 906 werden Umformungsvektoren in jedem lokalen Kasten 1300 unter Verwendung der umgeformten Nominalknoten 612 bestimmt. Wie in 13 gezeigt ist, enthält jeder lokale Kasten 1300 einen inneren Kasten 1302, einen äußeren Kasten 1304 und eine Region 1306, wo Umformungsvektoren innerhalb des lokalen Kastens 1300 verschieben können. Die Umformungsvektoren werden für Knoten in einem inneren Kasten 1302 und Knoten in dem äußeren Kasten 1304 bestimmt. Die Umformungsvektoren, die sich innerhalb des lokalen Kastens 1300 zukünftig bewegen können, werden ebenfalls im Schritt 906 bestimmt. In einem Schritt 908 werden die Umformungsvektoren anschließend jedem der Nominalknoten jedes lokalen Kastens 1300 zugeordnet, um dadurch die Datei 802 für Umformungs-Nominalknoten für jeden lokalen Kasten 1300 und die Datei 804 für kompensierte Knoten für jeden lokalen Kasten 1300 zu erzeugen. In einem Schritt 910 wird auch die Umformungs-Batch-Prozedur 806 für den lokalen Kasten berechnet.
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Bezug nehmend nun auf 10 wird der Ausführungsschritt 808 des Prozesses 614 einer lokalen Oberflächenumformung im zweiten Schritt weiter dargestellt. Der Ausführungsschritt 808 verwendet die Dateien 804 für kompensierte Knoten und die umgeformte nominale CAD-Oberfläche 610, um die Nominaloberfläche durch jeden lokalen Kasten 1300 umgeformt zu editieren 1000, und die Umformungs-Batch-Prozedur 1002, die lokale Kastendefinitionen für jeden lokalen Kasten 1300 enthält. In einem Schritt 1004 wird die Nominaloberfläche unter Verwendung eines aktuellen der lokalen Kästen 1300 umgeformt. Die Nominalknoten 802 für jeden lokalen Kasten 1300 können ebenfalls in einem Schritt 1006 für jeden lokalen Kasten 1300 editiert werden. Der Prozess wird wiederholt, bis keine weiteren lokalen Kästen 1300 zum Umformen übrig sind, und ergibt die kompensierte Oberfläche 412.
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11 stellt den Schritt 910 zum Berechnen der Batch-Prozedur für eine lokale Umformung weiter dar, welche bestimmt, welche benachbarten Punkte und lokalen Kästen 1300 umzuformen sind. Der Schritt 910 nutzt die Datei 802 für Umformungs-Nominalknoten für jeden lokalen Kasten 1300, die Datei 804 für kompensierte Knoten für jeden lokalen Kasten 1300 und die lokalen Kästen 1300 und ihre Stelle und berechneten Parameter aus dem Vorverarbeitungsschritt 800 in einer mehrstufigen Routine 1100. Die mehrstufige Routine 1100 wird auf jedem lokalen Kasten 1300 durchgeführt und beinhaltet eine Vorverarbeitung (Schritte 1 bis 3), Dateneingabe (Schritte 4 bis 6), eine Umformungsprozess-Steuerung für den aktuellen Kasten (Schritte 7 bis 11), eine Ausgabe von Umformungsdaten (Schritte 11 bis 14) und eine Nachverarbeitung (Schritte 15 bis 19). Während dieses Prozesses bleibt stets eine Eins-zu-Eins-Korrespondenz zwischen jedem Nominal- und jedem Zielknoten bestehen, selbst wenn nur die Nominalknoten geändert werden. Diese Schritte beinhalten die folgenden Schritte:
- 1) Alle Kästen 1300 finden, die einen aktuellen Kasten 1400 schneiden.
- 2) Alle Nominalknoten innerhalb jedes schneidenden Kastens 1300 finden.
- 3) Falls ein schneidender Kasten in einer zukünftigen Umformungsprozedur nicht genutzt wird, alle Nominalknoten für diesen Kasten aus der Umformungsprozedur für den aktuellen Kasten eliminieren.
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Umformungseingabe:
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- 4) Alle Nominalknoten für benachbarte Kästen eingeben, die nicht eliminiert sind, so dass sie mit den Knoten des aktuellen Kastens 1400 umgeformt werden können.
- 5) Nominalknoten des aktuellen Kastens zur Umformung eingeben.
- 6) Alle Oberflächen für eine Umformung eingeben - diese müssen zumindest die Oberflächen sein, die einen aktuellen Kasten (1400) schneiden.
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Umformungsprozess-Steuerung für aktuellen Kasten:
- 7) Nominalknoten für aktuellen Kasten für eine Umformungsprozedur eingeben. Die Knoten werden wieder für eine Verarbeitung genutzt.
- 8) Zielknoten des aktuellen Kastens eingeben. Diese Knoten besitzen eine Eins-zu-Eins-Korrespondenz mit Nominalknoten des aktuellen Kastens.
- 9) Mitte und Größe des lokalen Kastens für jede Batch-Datei aufzeichnen.
- 10) Parameter für einen lokalen Umformungskasten definieren.
- 11) Einen Befehl zur Ausführung einer Umformung der Batch-Datei-Prozedur hinzufügen. Dies ist die Umformungs-Batch-Prozedur 806.
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Umformungsausgabe:
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- 12) Umgeformte Nominalknoten für benachbarte Kästen ausgeben.
- 13) Umgeformte Nominalknoten für den aktuellen Kasten ausgeben.
- 14) Umgeformte Oberflächen (für aktuellen Kasten) ausgeben.
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Nachverarbeitung:
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- 15) Eingegebene benachbarte Nominalknoten durch ausgegebene umgeformte Nominalknoten aus Schritt 12 ersetzen.
- 16) Eingegebene aktuelle Nominalknoten durch ausgegebene aktuelle Nominalknoten aus Schritt 13 ersetzen.
- 17) Eingegebene Oberflächen durch ausgegebene Oberflächen aus Schritt 14 ersetzen.
- 18) Zum Vorverarbeitungsschritt 1 zurückgehen, bis alle Kästen verarbeitet wurden.
- 19) Umgeformte Oberflächen ausgeben.
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12 stellt ferner eine Netzoberfläche 1200 dar, die in einen einzigen lokalen Kasten eingebettet ist, der in dem Kompensationsprozess der vorliegenden Offenbarung verwendet wird.
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Bezug nehmend auf 14 ist eine schematische Veranschaulichung mehrerer der lokalen Kästen 1300 gemäß einer bestimmten Ausführungsform dargestellt. Wenn Punkte in dem zentralen Umformungskasten 1400 umgeformt werden (Punkte nicht dargestellt), werden die Umformungspunkte von den umgebenden lokalen Kästen ebenfalls beeinflusst. Die lokalen Kästen 1300 werden übereinandergelegt, um eine Umformung durchzuführen, wobei alle inneren Kästen 1302 der lokalen Kästen 1300 aus Gründen der Genauigkeit überlappt werden. Der Effekt des zentralen lokalen Umformungskastens 1400 wird berücksichtigt, wenn die umgebenden lokalen Kästen 1300 umgeformt werden. Ein Buchhaltungsverfahren wird entwickelt und in den automatisierten Zweischritt-Umformungsprozess 800 codiert, um eine lokale Umformung nachzuverfolgen.
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Experiment
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Das Zweischrittverfahren der vorliegenden Offenbarung wurde auf ein Finite-Element-Modell einer ursprünglichen Kathodenplatte in einem ersten Kompensationsversuch angewendet. Das Finite-Element-Modell zeigt, dass der Entwurf der ursprünglichen Platte eine laterale Rückfederung von insgesamt 273 Mikrometer erzeugt. Eine laterale Kompensation (100 % oder 1 zu 1) plus 5 Mikrometer Kanaltiefenkompensation wurde unter Verwendung des Zweischrittverfahrens basierend auf einer ersten Rückfederungsvorhersage durchgeführt. Diese wurde als Teil von Schritt 604, der oben beschrieben wurde, berechnet. Nach der Kompensation zeigte das Finite-Element-Modell, dass die Form der kompensierten Oberfläche eine gesamte laterale Rückfederung von 295 Mikrometer ergibt. Ein Abschnittsvergleich von Federungs-Formen mit dem nominalen CAD-Modell zeigt, dass die 100 %-Kompensation die laterale Rückfederung nicht vollständig kompensiert. Es gibt eine Abweichung von etwa 13 Mikrometer der Kanalform an der Kante der aktiven Fläche, falls der Mittelabschnitt der aktiven Fläche mit den Nominaldaten ausgekleidet wird, wo die Kanaltiefe um 5 Mikrometer vollständig kompensiert dargestellt ist.
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Basierend auf den Ergebnissen aus dem ersten Kompensationsversuch wurde ein zweiter Kompensationsversuch mit einem Betrag von 107 % einer lateralen Kompensation (Überkompensation) plus 5 Mikrometer Kanaltiefenkompensation unter Verwendung des Zweischrittverfahrens durchgeführt. Die Finite-Element-Analyse der Rückfederung zeigte, dass die neue Kompensation eine laterale Rückfederung von etwa 295 Mikrometer erzeugt. Die Abschnittsvergleiche zeigen, dass die Federungs-Form mit der Nominalform überlappt, was anzeigt, dass sowohl eine laterale Rückfederung als auch eine Abflachung der Kanaltiefe mit dem zweiten Kompensationsversuch vollständig kompensiert wurden.
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Vorteilhafterweise liefert das Verfahren der vorliegenden Offenbarung eine Kompensation mit hoher Genauigkeit und Oberflächenqualität für eine große Rückfederung und reduziert die Zeit und Komplexität einer Entwurfs, einer Entwicklung, Ausführung und Herstellung eines Bipolarplattenprodukts. Das vorliegende Verfahren liefert auch einen neuen Weg für eine Rückfederungskompensation und kann genutzt werden für eine große und verdrehende Rückfederungskompensation für andere Arten gestanzter Teile wie zum Beispiel aus hochfestem Stahl oder Aluminium bestehende Karosserieverkleidungen für alle Fahrzeugtypen als spezielle nicht beschränkende Beispiele. Die Hochpräzisions- und Submikrometerkompensation des vorliegenden Verfahrens kann auch für eine Kompensation von Oberflächendefekten oder eine geringe Kompensation von Oberflächen (engl. surface defect or surface low compensation) verwendet werden, da Oberflächenqualität eines der schwierigsten Themen ist, dem sich die Karosserieteile herstellende Industrie gegenübersieht.
