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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Herstellung von flachen Mikrostrukturbauteilen aus einem Substrat und einer metallischen Mikrostruktur, insbesondere von Bipolarplatten für Brennstoffzellen oder bspw. von flachen Kühlkörpern, bekannt.
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So kann die metallische Mikrostruktur bspw. mittels eines 3D-Druckverfahrens auf dem Substrat aufgebracht werden. Dabei können einzelne Schichten aus einem metallischen Rohmaterial, bspw. in Pulverform, nacheinander auf das Substrat aufgebracht und mittels eines Lasers aufgeschweißt werden. Bei einem sequenziellen Aufbau der metallischen Mikrostruktur ist der Anteil unproduktiver Zeit sehr hoch. Bei einem durchlaufenden Verfahren mit durchlaufendem Substrat sind mehrere Beschichtungsstationen, die das metallische Rohmaterial auf das Substrat aufbringen, sowie Laser notwendig, die in Reihe geschaltet werden müssen. Entsprechend sind die Kosten für eine solche Anlage mit mehreren Schichtungsstationen und mehreren Lasern sehr hoch. Herausforderungen in der Verfahrensführung bestehen bei diesen Verfahren durch das wiederholte Auftragen der Pulverschichten an denselben Stellen, einem unerwünschten Ansintern einzelner Pulverpartikel an die herzustellende metallische Mikrostruktur, der Notwendigkeit hoher Pulverauftragsgeschwindigkeiten sowie hohen Anforderungen an die Arbeitssicherheit. Dies führt entsprechend zu einer weiteren Minderung der Wirtschaftlichkeit dieser Verfahren.
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Demgemäß ist es wünschenswert ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines flachen Mikrostrukturbauteils vorzuschlagen, welche eine besonders wirtschaftliche Herstellung des flachen Mikrostrukturbauteils erlauben.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines flachen Mikrostrukturbauteils, ein flaches Mikrostrukturbauteil sowie eine Vorrichtung zum Herstellen des flachen Mikrostrukturbauteils.
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Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen flachen Mikrostrukturbauteil sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Demgemäß betrifft die Erfindung gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren zum Herstellen eines flachen Mikrostrukturbauteils mit den Schritten:
- (a) Einbringen einer metallischen Schmelze in eine Negativform einer Formwalze, wobei die Negativform an einer Mantelfläche der Formwalze eingeprägt ist und die Formwalze an der Mantelfläche aus einem temperaturbeständigen Werkstoff besteht,
- (b) Rotieren der Formwalze mit der in ihre Negativform eingebrachten metallischen Schmelze gegenüber einem Substrat, sodass die metallische Schmelze als der Negativform geometrisch entsprechende Positivform auf das Substrat aufgebracht wird, und
- (c) Erstarren der als Positivform auf dem Substrat aufgebrachten metallischen Schmelze zu einer metallischen Mikrostruktur, sodass das flache Mikrostrukturbauteil als das Substrat mit der damit dauerhaft verbundenen metallischen Mikrostruktur erhalten wird.
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Dadurch, dass die Formwalze mit der Negativform ausgestattet ist, die die Positivform unmittelbar auf das Substrat aufbringt, werden die Zeit für die Herstellung gegenüber einem sequenziellen Aufbau der metallischen Mikrostruktur erheblich reduziert und die Kosten für eine entsprechende Vorrichtung gegenüber einer Vorrichtung mit mehreren Beschichtungsstationen für ein durchlaufendes Verfahren erheblich gesenkt. Anders als im Stand der Technik sind kein aufwendiges Aufbringen mehrerer einzelner Pulverschichten und mehrere Laserschweißvorgänge mehr erforderlich. Stattdessen wird die Positivform bzw. die metallische Struktur in nur einem Durchgang auf das Substrat aufgebracht.
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Der temperaturbeständige Werkstoff kann bspw. als eine temperaturbeständige Beschichtung auf der Formwalze ausgebildet sein. Der temperaturbeständige Werkstoff kann insbesondere feuerfest ausgebildet sein. Der temperaturbeständige Werkstoff bzw. die temperaturbeständige Beschichtung kann beispielsweise aus einer Keramik bestehen. Bspw. kann die keramische Beschichtung aus der Gruppe der Verschleißschutzschichten gewählt werden. Beispielhafte keramische Beschichtungen sind Aluminiumoxid, Titan(IV)-oxid und Chrom(III)-oxid. Der temperaturbeständige Werkstoff bzw. die temperaturbeständige Beschichtung vermeiden, dass die metallische Schmelze an der Negativform haften bleibt, sodass die metallische Schmelze einfach von der Negativform raus und auf das Substrat aufgebracht werden kann. Die Formwalze kann dabei einen nicht- temperaturbeständigen Werkstoff als Basiswerkstoff aufweisen, auf dem die temperaturbeständige Beschichtung angeordnet ist. Dadurch kann die verhältnismäßig teurere temperaturbeständige Beschichtung vergleichsweise dünn ausgestaltet werden und die Formwalze dennoch eine hohe Steifigkeit aufweisen.
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Die metallische Schmelze kann aus einem beliebigen Metall oder einer beliebigen Metalllegierung, wie bspw. Kupfer oder Stahl, bestehen. Entsprechend kann die metallische Mikrostruktur aus einem solchen beliebigen Metall oder einer solchen beliebigen Metalllegierung bestehen. Ferner kann das Substrat ein metallisches Substrat sein. Das Substrat kann bspw. als ein Metallblech bereitgestellt werden. Es kann bspw. von einem Coil abgerollt werden, um so kontinuierlich zu der Formwalze zugeführt zu werden und eine kurze Herstellungszeit von flachen Mikrostrukturbauteilen zu ermöglichen.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Positivform der metallischen Schmelze oder die metallische Mikrostruktur mit dem Substrat verschweißt, insbesondere punktverschweißt, wird. Das Schweißen, insbesondere Punktschweißen, ist ein Widerstandsschweißverfahren, bei dem die Positivform der metallischen Schmelze oder die metallische Mikrostruktur mit dem Substrat ohne Zusatzwerkstoff verschweißt wird, wobei mit Strom durchflossene Elektroden Druck und Wärme in den Schweißbereich zwischen der Positivform der metallischen Schmelze oder der metallischen Struktur und dem Substrat einbringen. Das Schweißen kann beim Aufbringen der Positivform der metallischen Schmelze punktuell oder durchgängig erfolgen. Bevorzugt kann das Schweißen unmittelbar an der aufgebrachten Positivform der metallischen Schmelze bzw. beim Aufbringen der Positivform der metallischen Schmelze erfolgen. Hierzu kann die Formwalze eine Elektrode einer Schweißeinheit, insbesondere einer Punktschweißeinheit, aufweisen, um das Schweißen zusammen mit einer Gegenelektrode unmittelbar am Ort, an dem die Positivform der metallischen Schmelze auf das Substrat aufgebracht wird, durchzuführen. Dadurch kann die Herstellungszeit noch weiter gekürzt werden. Alternativ kann das Schweißen an der bereits tlw. oder vollständig erstarrten Positivform der metallischen Schmelze, d. h. der metallischen Mikrostruktur, erfolgen. So kann die Elektrode bspw. außerhalb der Formwalze angeordnet werden, um das Schweißen nach dem Aufbringen der Positivform der metallischen Schmelze und einem tlw. oder vollständigen Erstarren bzw. Aushärten dieser zu der metallischen Mikrostruktur durchzuführen.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass die in die Negativform eingebrachte metallische Schmelze beim Rotieren der Formwalze mittels einer an der Mantelfläche der Formwalze geführten Leiteinheit in der Negativform gehalten wird. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die metallische Schmelze beim Rotieren der Formwalze schwerkraftbedingt nicht aus der Negativform gelangen kann, sodass die Positivform der metallischen Schmelze, die auf das Substrat aufgebracht wird, möglichst exakt der Negativform der Formwalze entspricht.
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Außerdem kann vorgesehen sein, dass das Substrat relativ gegenüber der Formwalze vorgeschoben wird. Entsprechend kann die Formwalze an einer ortsfesten Position um ihre Drehachse rotiert werden, ohne relativ gegenüber dem Substrat verschoben zu werden. Dies erlaubt eine besonders einfache und kostengünstige Konstruktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung, da die Formwalze in ihrer Position relativ gegenüber dem Substrat nicht verschoben werden muss und das Substrat mittels einer entsprechenden Bereitstellungseinheit, insbesondere Vorschubeinheit, bspw. einem Förderband oder dergleichen, auf einfache Art und Weise an der Formwalze vorbeigeführt werden kann, um dabei die Positivform der metallischen Schmelze auf das Substrat aufzubringen. Das Substrat kann auch über einen Winkel von oben an die Formwalze geführt werden. Dadurch wird die Schmelze direkt durch das Substrat in der Negativform gehalten und das Leitblech kann eingespart werden. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Formwalze relativ gegenüber dem Substrat vorgeschoben wird. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass die Formwalze in gegenläufiger Richtung zu der Vorschubrichtung des Substrats vorgeschoben wird.
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Auch kann vorgesehen sein, dass die metallische Schmelze in der Negativform an das Substrat angepresst wird. Dies kann bspw. durch eine exzentrisch innerhalb der Formwalze gelagerte Anpresswalze erfolgen. Auch von der Seite des Substrats her kann das Substrat gegen die Formwalze angepresst werden. Dazu kann bspw. eine an das Substrat angelegte Gegenelektrode gegen das Substrat und die Formwalze angepresst werden, wenn eine Schweißeinheit aufweisend Elektrode und Gegenelektrode verwendet wird. Dadurch kann ein besonders präzises Aufbringen der Positivform der metallischen Schmelze auf das Substrat erzielt werden. Ferner kann bei einer Ausführungsform mit Schweißen zwischen der Positivform der metallischen Schmelze oder der metallischen Mikrostruktur mit dem Substrat so auf einfache Weise der für ein Schweißen förderliche hohe Druck im Schweißbereich aufgebracht werden.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die metallische Mikrostruktur als eine Vielzahl von voneinander beabstandeten geometrischen Einzelstrukturen auf dem Substrat ausgebildet wird. Die geometrischen Einzelstrukturen können beispielsweise als Pins ausgebildet werden. Dadurch kann eine offene Mikrostruktur hergestellt werden. Dies kann insbesondere dadurch erzielt werden, dass die Negativform eine Vielzahl von voneinander beabstandeten geometrischen Einzelaussparungen aufweist. Eine solche offene Struktur kann bspw. in dem aktiven Bereich auf eine Bipolarplatte aufgebracht. In einer solchen offenen Struktur gibt es keine definierten Kanäle. Der Kontakt zwischen der Bipolarplatte und der Gasdiffusionslage in der Brennstoffzelle entsteht dann über die Einzelstrukturen, beispielsweise Pins. Entsprechend kann bei der offenen Struktur mit den voneinander beabstandeten geometrischen Einzelstrukturen von einer Pinstruktur gesprochen werden. Die Pinstruktur kann mit einem wiederkehrenden Muster über dem aktiven Bereich der Bipolarplatte angeordnet sein. Eine Bipolarplatte mit einer solchen Pinstruktur hat vor allem den Vorteil kurzer Diffusionswege. Ferner hat die Pinstruktur den Vorteil, dass es im Betrieb der Brennstoffzelle nur zu einem sehr geringen Druckverlust kommt, sodass Ungleichverteilungen über den aktiven Bereich weitestgehend vermieden werden können. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können vor allem konische, d. h. entlang ihrer Erstreckung zulaufende, Einzelstrukturen besonders gut hergestellt werden. Die Einzelstrukturen können bspw. in einem Bereich einer Länge von 0,5 bis 2 mm, einer Breite von 0,05 bis 0,4 mm und einer Höhe von 0,5 bis 2 mm liegen. Die metallische Mikrostruktur kann aber auch anderweitig ausgebildet sein. Auf einer Bipolarplatte kann die metallische Mikrostruktur bspw. auch als Serpentinenstruktur, als parallele Struktur oder als verschachtelte Struktur im aktiven Bereich ausgebildet werden.
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Damit die metallische Mikrostruktur beim Rotieren der Formwalze nicht beschädigt wird, bspw. die Einzelstrukturen der metallischen Mikrostruktur nicht durch Verhaken der metallischen Mikrostruktur in der Formwalze verformt werden oder abbrechen, kann vorgesehen werden, dass das Substrat in Gegenrichtung zur Formwalze umgelenkt wird. Dazu kann die erfindungsgemäße Vorrichtung eine entsprechende Umlenkvorrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, das Substrat relativ gegenüber der Formwalze umzulenken. Das Umlenken kann zu der Formwalze hin oder von der Formwalze weg erfolgen. Dies kann insbesondere bei einer metallischen Mikrostruktur mit großer Höhe vorteilhaft sein.
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Außerdem kann vorgesehen sein, dass die in die Negativform eingebrachte metallische Schmelze aktiv gekühlt und/oder geheizt wird. Dies kann durch zumindest eine aktive Kühl- und/oder Heizeinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielt werden. Dabei kann eine erste aktive Kühl- und/oder Heizeinheit bei einer Ausführungsform des Verfahrens mit Leiteinheit an der Leiteinheit angeordnet sein bzw. kann die Leiteinheit die erste aktive Kühl- und/oder Heizeinheit aufweisen. Eine zweite, insbesondere alternative, aktive Kühl- und/oder Heizeinheit kann bspw. innerhalb der Formwalze angeordnet sein. Diese kann bspw. über eine Vielzahl von Kühl-/Heizdüsen verfügen, die zum Kühlen/Heizen der metallischen Schmelze in der Negativform von innen aus der Formwalze heraus eingerichtet sind. Dabei dient die Bezeichnung der aktiven Kühl- und/oder Heizeinheit als erste oder zweite aktive Kühl- und/oder Heizeinheit lediglich der Unterscheidung der aktiven Kühl-/ Heizeinheiten voneinander. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann dementsprechend eine der beiden oder auch beide aktive Kühl- und/oder Heizeinheiten aufweisen.
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Das aktive Kühlen der metallischen Schmelze beschleunigt den Prozess des Erstarrens der Positivform der auf das Substrat aufgebrachten metallischen Schmelze zu der metallischen Mikrostruktur. Gegenüber einem passiven Abkühlen der Positivform der metallischen Schmelze, bei der die Positivform der metallischen Schmelze einzig gegenüber ihrer (unerwärmten) Umgebung abkühlt, kann das Verfahren entsprechend beschleunigt werden. Ferner kann sichergestellt werden, dass die metallische Schmelze beim Aufbringen auf das Substrat aufgrund ihrer bereits gesenkten Temperatur besser ihre Form auf dem Substrat hält, sodass die Positivform möglichst weitgehend der Negativform entspricht und es zu keinen unerwünschten Abweichungen kommt.
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Das aktive Heizen der metallischen Schmelze in der Positivform kann dazu genutzt werden, um einen zusätzlichen Schweißprozess zu vermeiden. Die Schmelze muss dabei auf einer Temperatur gehalten werden, bei der eine stoffschlüssige Verbindung der metallischen Positivform und dem Substrat gewährleistet ist. In dieser Konstellation ist es ebenfalls denkbar, dass die erste Kühl- und/oder Heizeinheit für das Halten der nötigen Temperatur zuständig ist und die zweite Kühl- und/oder Heizeinheit zum Kühlen bis zur Erstarrung der Strukturen nach dem Verbinden der Positivform mit dem Substrat verwendet wird.
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Auch kann vorgesehen sein, dass das flache Mikrostrukturbauteil als eine Bipolarplatte hergestellt wird, in der die metallische Mikrostruktur eine Struktur, insbesondere eine offene Struktur, des aktiven Bereichs der Bipolarplatte bildet. Dadurch kann die ansonsten nur sehr aufwendig zu fertigende Bipolarplatte mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einfache Art und Weise hergestellt werden.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein flaches Mikrostrukturbauteil aus einem Substrat und einer mit dem Substrat dauerhaft verbundenen metallischen Mikrostruktur, wobei das flache Mikrostrukturbauteil nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist. Insbesondere wenn das dauerhafte Verbinden des Substrats mit der metallischen Mikrostruktur mittels Schweißens erfolgt, kann das Gefüge des Mikrostrukturbauteils aus mittels metallischer Schmelze hergestellter und angeschweißter Struktur in einer metallographischen Untersuchung erkannt werden. Damit lässt sich das flache Mikrostrukturbauteil, dass gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist, von einem durch ein anderes Verfahren, bspw. in einem 3D-Druckverfahren, hergestellten flachen Mikrostrukturbauteil unterscheiden.
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Die metallische Mikrostruktur kann, wie vorstehend bereits erläutert wurde, als eine Vielzahl von voneinander beabstandeten geometrischen Einzelstrukturen auf dem Substrat ausgebildet sein. Die geometrischen Einzelstrukturen können konisch ausgebildet sein. Alternativ kann das flache Mikrostrukturbauteil auch andere metallische Mikrostrukturen als die vorstehend beschriebene offene Struktur bzw. Pinstruktur aufweisen. Auch das Substrat kann metallisch sein.
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Die Erfindung betrifft gemäß einem dritten Aspekt eine Vorrichtung zum Herstellen eines flachen Mikrostrukturbauteils aus einem Substrat und einer metallischen Mikrostruktur, wobei die Vorrichtung insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist, und wobei die Vorrichtung aufweist:
- (a) eine rotierbare Formwalze, die eine Mantelfläche aufweist, an der eine Negativform in die Formwalze eingeprägt ist, wobei die Negativform geometrisch einer Positivform der auf das Substrat aufzubringenden metallischen Mikrostruktur entspricht und die Mantelfläche aus einem temperaturbeständigen Werkstoff besteht,
- (b) eine Einbringeinheit, die zum Einbringen einer metallischen Schmelze in die Negativform der rotierbaren Formwalze eingerichtet ist, und
- (c) eine Bereitstellungseinheit zum Bereitstellen des Substrats gegenüber der Formwalze.
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Entsprechend weist die Vorrichtung gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung dieselben Vorteile wie das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung auf.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung eine Schweißeinheit zum Schweißen, insbesondere Punktschweißeinheit zum Punktschweißen, der Positivform der metallischen Schmelze oder der metallischen Mikrostruktur mit dem Substrat aufweist, wobei die Schweißeinheit eine an einer Innenseite der Formwalze angeordnete Elektrode und eine zur Anordnung an dem Substrat eingerichtete Gegenelektrode aufweist. Durch eine derartige Schweißeinheit kann auf einfache Art und Weise an dem Ort auf dem Substrat, an dem die Positivform der metallischen Schmelze aufgebracht wird, das Substrat dauerhaft mit der metallischen Mikrostruktur verbunden werden. Die Integration der Elektrode in die Formwalze ermöglicht dabei eine kompakte Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dies ermöglicht ein zeitgleiches Auftragen der Positivform der metallischen Schmelze und Schweißen des Substrats mit der Positivform der metallischen Schmelze, was das erfindungsgemäße Verfahren sehr schnell macht.
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Auch kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung ferner eine an der Mantelfläche der Formwalze geführte Leiteinheit aufweist, die beim Rotieren der Formwalze zum Halten der metallischen Schmelze in der Negativform eingerichtet ist. Die Leiteinheit kann entsprechend ortsfest relativ gegenüber der Formwalze angeordnet sein. Die Leiteinheit kann bspw. als ein Leitblech ausgebildet sein. Auch die Leiteinheit kann aus einem entsprechenden temperaturbeständigen Werkstoff, bspw. einer Keramik, ausgebildet sein oder eine entsprechende temperaturbeständige Beschichtung, bspw. eine Keramikbeschichtung, aufweisen, um das Anhaften der metallischen Schmelze daran zu verhindern.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass die Leiteinheit eine erste aktive Kühl- und/oder Heizeinheit aufweist. Diese erste aktive Kühl- und/oder Heizeinheit kann, wie bereits oben beschrieben, zur aktiven Kühlung oder zum Heizen der metallischen Schmelze in der Negativform der Formwalze genutzt werden. Die Integration der ersten aktiven Kühl- und/oder Heizeinheit in die Leiteinheit hat dabei den Vorteil, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders kompakt ausgebildet wird. Ferner kann die metallische Schmelze dadurch entlang der gesamten Leiteinheit und damit einer großen Fläche effektiv gekühlt und/oder geheizt werden. Die erste aktive Kühl- und/oder Heizeinheit kann beispielsweise an eine Kältemaschine angeschlossen sein.
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Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass innerhalb der Formwalze eine zweite aktive Kühl- und/oder Heizeinheit, insbesondere mit einer Vielzahl von Kühl- und/oder Heizdüsen, zum Kühlen der metallischen Schmelze in der Negativform angeordnet ist. Dadurch kann die metallische Schmelze in der Negativform auch von innen aus der Formwalze herausgekühlt oder geheizt werden, was sich als besonders effektiv herausgestellt hat. Dazu können die Kühl- und/oder Heizdüsen ein entsprechend mittels einer Kältemaschine gekühltes Fluid gegen die Formwalze, insbesondere gegen die Gegenelektrode an der Innenseite der Formwalze, sprühen. Wenn die erste aktive Kühl- und/oder Heizeinheit und/oder die zweite aktive Kühl- und/oder Heizeinheit genutzt werden, kann eine effektive Kühlung und/oder Aufheizung der metallischen Schmelze erzielt werden, selbst wenn die Formwalze sehr schnell rotiert, um das Verfahren zu beschleunigen. Mit anderen Worten kann die Geschwindigkeit der Rotation der Formwalze zur Aufbringung der Positivform der metallischen Schmelze unabhängig von der vorteilhaften aktiven Kühlung und/oder Heizung gewählt werden, da die Kühlung und/oder Heizung sehr effektiv erfolgen kann.
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Außerdem kann vorgesehen sein, dass die Formwalze eine in der Formwalze exzentrisch angebrachte Anpresswalze zum Anpressen der Formwalze an das Substrat aufweist. Dies erleichtert das Schweißen durch den im Schweißbereich aufgebrachten Druck. Bspw. kann die Anpresswalze an ihren Enden entsprechend mechanisch derart gelagert sein, dass sie mit einer Kraft beaufschlagt wird, die von innen gegen die Formwalze drückt. Die entsprechende Gegenelektrode der Schweißeinheit kann in entgegengesetzter Richtung mit einer Kraft beaufschlagt werden und das Substrat gegen die Formwalze drücken.
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Zudem kann vorgesehen sein, dass die Negativform eine Vielzahl von voneinander beabstandeten geometrischen Einzelaussparungen aufweist. Dies erlaubt es auf einfache Art und Weise, die metallische Mikrostruktur als offene Struktur bzw. Pinstruktur herzustellen.
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Auch kann vorgesehen sein, dass die Einbringeinheit als ein Tiegel zum Aufschmelzen metallischen Rohmaterials zu der metallischen Schmelze ausgebildet ist. Der Tiegel kann oberhalb der Formwalze angeordnet werden, sodass das darin aufgeschmolzene metallische Rohmaterial als metallische Schmelze unter Wirkung der Schwerkraft in die Negativform eingebracht wird. Das metallische Rohmaterial kann dabei in beliebiger Form in den Tiegel eingebracht werden, bspw. in Pelletform, damit es schnell zu der metallischen Schmelze aufgeschmolzen werden kann. Der Tiegel kann über eine entsprechende Induktionsspule verfügen, mittels der das metallische Rohmaterial zu der metallischen Schmelze aufgeschmolzen werden kann.
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Da die geometrische Struktur der Negativform der Formwalze sich nach einer vollständigen Rotation bzw. einem Umlauf wiederholt, kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen sein, dass zumindest zwei oder mehr Formwalzen in Reihe hintereinander angeordnet sind. Mit anderen Worten können die zumindest zwei oder mehr Formwalzen derart hintereinander angeordnet sein, dass sie die hintereinander Positivform der metallischen Schmelze aufbringen, wodurch ein Durchlaufverfahren gebildet werden kann. Dabei können die hintereinander in Reihe angeordneten Formwalzen unterschiedliche Negativformen aufweisen oder unterschiedliche Materialien enthalten, um entlang des Substrats unterschiedliche Positivformen bzw. metallische Mikrostrukturen aufzubringen. Entsprechend kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Herstellen des flachen Mikrostrukturbauteils zumindest zwei oder mehr Formwalzen aufweisen, die insbesondere in einer Vorschubrichtung des Substrats hintereinander angeordnet sind.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Figuren hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische seitliche Darstellung einer Vorrichtung zum Herstellen eines flachen Mikrostrukturbauteils gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine schematische Draufsicht auf die Mantelfläche der Formwalze der Vorrichtung aus 1; und
- 3 eine schematische Detailansicht der Formwalze der Vorrichtung aus 1.
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Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 3 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen. Soweit ein gleiches Element mehrmals vorhanden ist, wird es fortlaufend nummeriert, wobei die fortlaufende Nummerierung von den Bezugszeichen durch einen Punkt getrennt wird.
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1 zeigt die Vorrichtung 1 zum Herstellen eines flachen Mikrostrukturbauteils 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Vorrichtung 1 weist eine rotierbare Formwalze 20, eine Einbringeinheit 40 sowie eine nicht gezeigte Bereitstellungseinheit auf.
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Vorliegend ist die Einbringeinheit 40 als ein Tiegel 40 ausgebildet, der eine Induktionsspule 41 aufweist. In den Tiegel 40 wird metallisches Rohmaterial 2 eingebracht und zu einer metallischen Schmelze 3 aufgeschmolzen. Unterhalb des Tiegels 40 befindet sich die mittels eines entsprechenden Antriebs in Rotationsrichtung R um einen ortsfesten Drehpunkt rotierende Formwalze 20. Die Formwalze 20 weist an ihrer Außenseite eine Mantelfläche 21 auf. In die Formwalze 20 ist an der Mantelfläche 21, wie 2 zeigt, eine Negativform 23 mit mehreren voneinander beabstandeten geometrischen Einzelaussparungen 22.1, 22.2, 22.3 eingeprägt. Die geometrischen Einzelaussparungen 22.1, 22.2, 22.3 mit ihren Beabstandungen geben lediglich eine beispielhafte geometrische Struktur wieder, die auch anderweitig ausgestaltet sein kann.
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Entsprechend wird die metallische Schmelze 3 aus dem Tiegel 40 in die Negativform 23 eingebracht. Beim Rotieren der Formwalze 20 wird die metallische Schmelze 3 mittels einer Leiteinheit 30, vorliegend bspw. in Form eines Leitblechs, in der Negativform 23 gehalten. Die Leiteinheit 30 weist dabei eine erste aktive Kühl- und/oder Heizeinheit 31 auf, mittels der die Leiteinheit 30 aktiv gekühlt/geheizt wird. Durch den Kontakt der Leiteinheit 30 mit der metallischen Schmelze 3 beginnt diese bereits innerhalb der Negativform 23 bei Rotation der Formwalze 20 an zu erstarren oder wird auf Temperatur gehalten. Die Leiteinheit 30 ist mit einer temperaturbeständigen, bspw. keramischen, Beschichtung ausgestattet, um ein Anhaften der metallischen Schmelze 3 daran zu verhindern.
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Durch die Rotation der Formwalze 20 wird die metallische Schmelze 3 von der Formwalze 20 von unterhalb des Tiegels 40 zu dem mittels der Bereitstellungseinheit bereitgestellten Substrat 11 geführt. Die Bereitstellungseinheit kann vorliegend bspw. in Form eines Förderbandes ausgebildet sein, welches das Substrat 11 in der gezeigten Vorschubrichtung V relativ gegenüber der Formwalze 20 vorschiebt. Dadurch wird metallische Schmelze 3 aus der Negativform 23 innerhalb der Formwalze 20 auf das und entlang des vorgeschobenen Substrates 11 aufgebracht. Dadurch entsteht auf dem Substrat 11 eine der Negativform 23 geometrisch entsprechende Positivform 13 mit mehreren voneinander beabstandeten geometrischen Einzelstrukturen 12.1, 12.2, 12.3, die auf dem Substrat 11 zu einer metallischen Mikrostruktur 14 erstarren. Das Substrat 11 bildet zusammen mit der metallischen Mikrostruktur 14 ein flaches Mikrostrukturbauteil 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, bei der das flache Mikrostrukturbauteil 10 eine Bipolarplatte mit einer offenen Struktur bzw. Pinstruktur in ihrem aktiven Bereich ist. Durch das aktive Kühlen mittels der ersten aktiven Kühl- und/oder Heizeinheit 30 kann dabei sichergestellt werden, dass die metallische Schmelze 3 bereits ein stückweit erstarrt ist, sodass die Positivform 13 der metallischen Schmelze 3 möglichst ohne große Abweichungen geometrisch der Negativform 23 entspricht.
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Damit die metallische Mikrostruktur 14 dauerhaft mit dem Substrat 11 verbunden wird und eine besonders hohe Formgenauigkeit des metallischen Mikrostrukturbauteils 10 erzielt wird, werden die geometrischen Einzelstrukturen 12.1, 12.2, 12.3 der metallischen Mikrostruktur 14 mit dem Substrat 11 durch die noch aufgeheizte Schmelze stoffschlüssig verbunden oder mittels einer Schweißeinheit unmittelbar nach oder noch beim Aufbringen der Positivform 13 der metallischen Schmelze 3 verschweißt. Die Schweißeinheit weist dazu die in 1 gezeigte Gegenelektrode 25 auf. Wie 3 ferner zeigt weist die Formwalze 20 die zu der Gegenelektrode 25 korrespondierende Elektrode 24 auf. Die Elektrode 24 befindet sich innerhalb der Formwalze 20 an der Mantelfläche 21, die durch einen temperaturbeständigen Werkstoff gebildet wird und weist eine ring- bzw. zylinderförmige Form auf. Eine nicht gezeigte Stromversorgungseinheit setzt die Elektrode 24 und die Gegenelektrode 25 unter Spannung. Dabei wird die Formwalze 20 mittels einer innerhalb der Formwalze 20 exzentrisch angebrachten Anpresswalze 26 an das Substrat 11 und gegen die Gegenelektrode 25 angepresst, um in dem Schweißbereich zwischen der Elektrode 24 und der Gegenelektrode 25 Druck für das Schweißen aufzubauen.
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Wie der 3 ferner zu entnehmen ist, weist die Formwalze 20 eine zweite aktive Kühl- und/oder Heizeinheit mit mehreren Kühl- und/oder Heizdüsen 27.1, 27.2, 27.3, 27.4, 27.5 auf, die innerhalb der Formwalze 20 angeordnet sind und die in der Negativform 23 beinhaltete metallische Schmelze 3 vom Inneren der Formwalze 20 heraus beim Rotieren der Formwalze 20 durch Sprühen eines entsprechend gekühlten und/oder geheizten Fluids kühlen und/oder heizen.
