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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Metallschaummatten mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Vorrichtung umfasst demnach mindestens einen Schneidedraht, mit dessen Hilfe mindestens eine Metallschaummatte in einem drahterosiven oder multidrahtrerosivem Verfahren aus einem Metallschaumblock herausschneidbar ist.
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Eine derart hergestellte Metallschaummatte kann beispielsweise als Gasverteilerstruktur in einer Brennstoffzelle eingesetzt werden.
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Stand der Technik
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2018 203 828 A1 ist beispielhaft eine Gasverteilerstruktur für eine Brennstoffzelle zur Bereitstellung eines Reaktanten bekannt, die zumindest bereichsweise aus einer Schaumstruktur gebildet ist. Die Schaumstruktur wiederum besteht aus einem offenporigen, elektrisch leitfähigen Schaum, beispielsweise aus einem Metallschaum, und ist einseitig mit einer groben Verteilerstruktur zur Optimierung der Gasströmung versehen. Die grobe Verteilerstruktur kann beispielsweise mittels „Multi Wire Electrical Discharge Machining“ (MWEDM) eingebracht worden sein.
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In der Industrie besteht ein hoher Bedarf an Gasverteilerstrukturen, da sie nicht nur in Brennstoffzellen, sondern beispielsweise auch in Batterien, Kondensatoren und Katalysatoren eingesetzt werden. Dabei geht der Trend zu immer dünneren Schaumstrukturen, wobei die Dicke unter 1 mm liegen kann. Um die mechanische Stabilität derart dünner Schaumstrukturen zu gewährleisten, wird nicht nur die Dicke, sondern in der Regel auch der Porendurchmesser reduziert. Der Porendurchmesser ist somit abhängig von der zu erzielenden Dicke der Schaumstruktur.
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Um diese Abhängigkeit aufzuheben, wird in der
WO 2019/175202 A1 ein Verfahren zur Herstellung einer porösen Verteilerstruktur zum Verteilen eines Reaktanten in einer Brennstoffzelle vorgeschlagen, bei dem erst ein Blockkörper mit einer inneren Porenstruktur hergestellt wird und anschließend mindestens eine Schaummatte aus dem Blockkörper herausgeschnitten wird. Zum Herausschneiden der Schaummatte wird ein drahterosives bzw. ein multidrahterosives Verfahren (MWEDM) vorgeschlagen.
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Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Herstellung von Metallschaummatten anzugeben, die eine Herstellung in großen Stückzahlen und zu möglichst geringen Kosten ermöglicht.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorgeschlagene Vorrichtung dient der Herstellung von Metallschaummatten, die für den Einsatz in einer Brennstoffzelle, einer Batterie oder einem Kondensator geeignet sind. Die Vorrichtung umfasst dabei mindestens einen Schneidedraht, mit dessen Hilfe mindestens eine Metallschaummatte in einem drahterosiven oder multidrahtrerosivem Verfahren aus einem Metallschaumblock herausschneidbar ist. Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung ein mehrteiliges Gehäuse auf, wobei in einem ersten Gehäuseteil des mehrteiligen Gehäuses ein Aufnahmeraum zur Aufnahme des Metallschaumblocks ausgebildet ist, der an zwei sich gegenüberliegenden Seiten einen Einlass und einen Auslass für ein Spülmedium aufweist.
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Beim Herausschneiden der mindestens einen Metallschaummatte aus dem Metallschaumblock kann demnach der Aufnahmeraum bzw. der hierin aufgenommene Metallschaumblock mit einem Spülmedium gespült werden. Auf diese Weise kann eine Performancesteigerung bewirkt werden, die hohe Stückzahlen ermöglicht. Da sich der Einlass und der Auslass für das Spülmedium am Aufnahmeraum gegenüberliegen, wird eine Spülrichtung vorgegeben, welche ein effizientes Spülen und damit eine weitere Performancesteigerung ermöglicht.
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Beim Spülen von Schäumen ist ein gerichtetes Spülen in der Regel schwer realisierbar, da ein Spülstrahl in der Porenstruktur gebrochen wird und sich dann in alle Richtungen verteilt. Durch die vorgeschlagene Anordnung von Einlass und Auslass für das Spülmedium kann jedoch eine Strömungsrichtung des Spülmediums in eine Vorzugsrichtung erzwungen werden.
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Der Aufnahmeraum zur Aufnahme des Metallschaumblocks ist vorzugsweise an die Abmessungen des Metallschaumblocks angepasst, so dass - mit Ausnahme der im Metallschaum vorhandenen Poren - keine Hohlräume zwischen dem Metallschaumblock und dem Gehäuseteil verbleiben. Somit bleibt das Spülmedium an die vorgegebene Spülrichtung gebunden und kann nicht über verbleibende Hohlräume in eine andere Richtung entweichen.
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In Weiterbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, dass der Aufnahmeraum mindestens eine bewegliche Wand als Begrenzung aufweist. Über die bewegliche Wand kann eine Anpassung des Aufnahmeraums an die Abmessungen des Metallschaumblocks vorgenommen werden. Die Wand kann insbesondere verschiebbar sein, so dass durch Verschieben der Wand die Breite oder die Länge des Aufnahmeraums veränderbar ist. Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die bewegliche Wand in Richtung des Aufnahmeraums vorgespannt ist. Die Vorspannung stellt sicher, dass die bewegliche Wand am Metallschaumblock anliegt und sich kein Hohlraum zwischen dem Metallschaumblock und dem Gehäuseteil ausbildet. Die Vorspannung kann beispielsweise mit Hilfe mindestens eines Federelements realisiert werden.
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Des Weiteren bevorzugt ist der Aufnahmeraum allseitig umschlossen und weist Öffnungen allein im Bereich des Einlasses und des Auslasses auf. Somit kann über den Einlass eingeleitetes Spülmedium nur über den Auslass aus dem Aufnahmeraum entweichen.
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Da sich der Einlass und der Auslass am Aufnahmeraum gegenüberliegen, tritt das Spülmedium auf der Seite des Einlasses in den Metallschaumblock ein und auf der Seite des Auslasses wieder aus. Um sicherzustellen, dass kein Spülmedium über eine andere Seite aus dem Metallschaumblock austritt, kann mindestens eine Seite des Metallschaumblocks mit einem Blech oder dergleichen abgedeckt werden. Das mindestens eine Blech kommt somit zwischen dem Metallschaumblock und dem Gehäuseteil zu liegen, in dem der Aufnahmeraum für den Metallschaumblock ausgebildet ist. Dabei wird in Kauf genommen, dass unter Umständen -je nach Lage des Bleches - dieses ebenfalls zerschnitten wird. Bei dem Blech kann es sich somit um ein „Opferblech“ handeln. Im Bereich des Einlasses und im Bereich des Auslasses kann natürlich kein Blech angeordnet werden.
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Der mindestens eine Schneidedraht der Vorrichtung ist vorzugsweise im Bereich des Einlasses des ersten Gehäuseteils angeordnet, und zwar in oder an einem weiteren Gehäuseteil der Vorrichtung. Die beiden Gehäuseteile sind relativ zueinander beweglich, so dass der mindestens eine Schneidedraht in Bezug auf den Metallschaumblock oder der Metallschaumblock in Bezug auf den mindestens einen Schneidedraht bewegt werden kann. Der mindestens eine Schneidedraht dringt somit im Bereich des Einlasses in den Metallschaumblock ein. Da über den Einlass auch das Spülmedium zugeführt wird, wird hierüber der mindestens eine Schneidedraht zugleich gekühlt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das weitere Gehäuseteil, in oder an dem der mindestens eine Schneidedraht angeordnet ist, gegenüber dem ersten Gehäuseteil beweglich, und zwar in einer Richtung, die der Schnittrichtung entspricht. Das erste Gehäuseteil kann in diesem Fall feststehend ausgebildet sein, so dass der hierin aufgenommene Metallschaumblock nicht bewegt werden muss.
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Des Weiteren bevorzugt weist das weitere Gehäuseteil, in oder an dem der mindestens eine Schneidedraht angeordnet ist, mindestens zwei in Schnittrichtung parallel zueinander verlaufende Wandabschnitte auf, die einen Aufnahmeraum für eine aus dem Metallschaumblock herausgeschnittene Metallschaummatte begrenzen. Vorzugsweise sind mehrere solche Aufnahmeräume vorgesehen, so dass die aus dem Metallschaumblock herausgeschnittenen Metallschaumplatten voneinander getrennt bzw. vereinzelt werden. Die Metallschaummatten können somit einzeln einem nächsten Prozessschritt zur Verfügung gestellt werden.
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Der mindestens eine Schneidedraht ist bevorzugt in einer Achse mit einem Wandabschnitt angeordnet und dem Wandabschnitt in Schnittrichtung vorgelagert. Das heißt, dass beim Schneiden zunächst der mindestens eine Schneidedraht in den Metallschaumblock eindringt, gefolgt von dem jeweiligen Wandabschnitt. Der Wandabschnitt läuft somit in einen durch den Schneidedraht geschaffenen Schneidspalt ein.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass der mindestens eine Aufnahmeraum für die Metallschaummatte in Verbindung mit einem Gehäuseeinlass für das Spülmedium steht. Über den Gehäuseeinlass eingeleitetes Spülmedium wird demnach über den mindestens einen Aufnahmeraum zur Aufnahme einer Metallschaummatte in Richtung des Einlasses des Aufnahmeraums geführt, in dem der Metallschaumblock aufgenommen ist. Dabei umströmt das Spülmedium den mindestens einen Schneidedraht, der somit gekühlt wird. Gleiches gilt für die Schnittstelle. Ferner werden über das Spülmedium beim Schneiden anfallende Erodierpartikel abtransportiert.
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Vorteilhafterweise bilden mehrere Schneidedrähte ein Drahtfeld aus, das in einer Reihe angeordnete Schneidedrähte umfasst. Auf diese Weise können in einem Schneidvorgang mehrere Metallschaummatten aus dem Metallschaumblock herausgeschnitten werden, was zu einer hohen Stückzahl und damit Performance beiträgt. Die Reihe von Schneidedrähten verläuft vorzugsweise senkrecht zur Schnittrichtung. Das heißt, dass die Schneidedrähte gleichzeitig in den Metallschaumblock eindringen und der Schneidvorgang schnell beendet ist.
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Da das Spülmedium und die Schneidedrähte über denselben Einlass in den Aufnahmeraum gelangen, in dem der Metallschaumblock aufgenommen ist, wird vorgeschlagen, dass die Spülrichtung der Schnittrichtung entspricht. Dieses Konzept lässt sich besonders einfach umsetzen. Alternativ wird vorgeschlagen, dass die Spülrichtung und die Schnittrichtung senkrecht zueinander verlaufen. Das heißt, dass sich der mindestens eine Schneidedraht nicht vom Einlass aus in Richtung des Auslasses bewegt, sondern sich vom Einlass bis zum Auslass erstreckt und sich jeweils von einem Ende des Einlasses bzw. Auslasses bis ans andere Ende des Einlasses bzw. Auslasses bewegt.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 einen schematischen Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit eingelegtem Metallschaumblock,
- 2 eine schematische Draufsicht auf ein Gehäuseteil der Vorrichtung der 1 und
- 3 eine schematische Seitenansicht der Vorrichtung der 1.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die in der 1 vereinfacht dargestellte Vorrichtung 1 dient der Herstellung von Metallschaummatten, die beispielsweise als Gasverteilerstrukturen in einer Brennstoffzelle einsetzbar sind. Mit Hilfe der Vorrichtung 1 werden die Metallschaummatten in einem multidrahterosiven Verfahren (MWEDM) aus einem Metallschaumblock 3 herausgeschnitten. Die Vorrichtung 1 umfasst hierzu mehrere in einer Reihe angeordnete Schneidedrähte 2, die ein Drahtfeld ausbilden.
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Die Vorrichtung 1 weist ein Gehäuse 4 auf, das mehrteilig ausgeführt ist und ein erstes Gehäuseteil 5 umfasst, das einen Aufnahmeraum 6 zur Aufnahme eines Metallschaumblocks 3 ausbildet. Der Aufnahmeraum 6 wird von einer Wand 9 begrenzt, die verschiebbar ist, so dass die Abmessungen des Aufnahmeraums 6 an die Abmessungen des Metallschaumblocks 3 anpassbar sind. Damit die Wand 9 den Kontakt zum Metallschaumblock 3 hält, ist die Wand 9 mit Hilfe mehrerer Federelemente 10 in Richtung des Metallschaumblocks 3 vorgespannt. Die Wand 9 begrenzt vorliegend eine als Einlass 7 für ein Spülmedium dienende Öffnung, der am Aufnahmeraum 6 weitere Öffnungen gegenüberliegen, die einen Auslass 8 für das Spülmedium ausbilden. Durch die gegenüberliegende Anordnung von Einlass 7 und Auslass 8 ist eine Spülrichtung (angedeutet durch den Pfeil R1 ) durch den Aufnahmeraum 6 bzw. den hierin aufgenommenen Metallschaumblock 3 vorgegeben.
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Die Schneiddrähte 2 sind in einem weiteren Gehäuseteil 11 angeordnet, das gegenüber dem ersten Gehäuseteil 5 beweglich, und zwar verschiebbar ist. Über die Bewegung/Verschiebung des weiteren Gehäuseteils 11 gegenüber dem ersten Gehäuseteil 5 können somit die Schneiddrähte 2 durch den Metallschaumblock 3 geführt werden, um Metallschaummatten herauszuschneiden. Die Schneiddrähte 2 sind Wandabschnitten 12 des weiteren Gehäuseteils 11 vorgelagert, die Aufnahmeräume 13 für die herausgeschnittenen Metallschaummatten ausbilden. Denn mit den Schneiddrähten 2 werden auch die Wandabschnitte 12 durch den Metallschaumblock 3 geführt, wobei sie in Schneidspalte eindringen, die zuvor von den Schneiddrähten 2 geschaffen wurden. Gleichzeitig nehmen sie die Metallschaummatten in den hierfür vorgesehenen Aufnahmeräumen 13 auf. Die Bewegungsrichtung (Pfeile R3 ) des weiteren Gehäuseteils 11 und damit die Schnittrichtung (Pfeil R2 ) entspricht somit der Spülrichtung (Pfeil R1 ). Die Schneiddrähte 2 treten über den Einlass 7 für das Spülmedium in den Metallschaumblock 3 ein und bewegen sich in Spülrichtung in Richtung des Auslasses 8.
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Der Draufsicht der 2, welche ausschnittsweise das Gehäuseteil 11 der Vorrichtung 1 im Bereich Schneiddrähte 2 zeigt, ist zu entnehmen, dass die zwischen den Wandabschnitten 12 ausgebildeten Aufnahmeräume 13 zur Aufnahme der Metallschaummatten nach oben geschlossen ausgebildet sind. Lediglich im Bereich der Schneiddrähte 2 sind Öffnungen 15 vorgesehen, über die jeder einzelne Aufnahmeraum 13 mit einem Gehäuseeinlass 14 verbindbar ist, über den das Spülmedium in eingeführt wird.
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Der Gehäuseeinlass 14 kann, wie beispielhaft in der 3 dargestellt, auf einer Oberseite des Gehäuses 4 angeordnet sein. An einer Unterseite des Gehäuses 4 ist ein Gehäuseauslass 16 vorgesehen, über den das Spülmedium aus dem Gehäuse 4 austreten kann. Die Strömung des Spülmediums durch das Gehäuse 4 wird in diesem Fall durch die Schwerkraft unterstützt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018203828 A1 [0003]
- WO 2019/175202 A1 [0005]
