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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einspannen plattenförmiger Bauteile und ein Verfahren. Die plattenförmigen Bauteile sind im eingespannten Zustand aneinander zu fügen, insbesondere aneinander zu schweißen. Durch das Aneinanderfügen wird bevorzugt eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle hergestellt.
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Es ist bekannt, zum Herstellen metallischer Bipolarplatten für Brennstoffzellen plattenförmige und insbesondere dünnwandige Blechbauteile aneinander zu fügen und bevorzugt aneinander zu schweißen. Ein Beispiel hierfür findet sich in der
DE 11 2004 000 147 B4 . In der dortigen
2 sind zwei einzelne Platten 12, 14 gezeigt, die unter Ausbildung einer Bipolarplatte zusammenzufügen sind (siehe resultierender Zustand in
1). Die Fügeverbindung ist fluiddicht auszuführen. Sie umläuft typischerweise einen Außenumfang der zusammengefügten Platten und/oder wird in ausgewählten Fügebereichen bevorzugt umlaufend hergestellt. Es ist auch bekannt, Fügeverbindungen in einer Mehrzahl von Fügebereichen der Bauteile herzustellen, sodass die Fügeverbindungen und/oder Fügebereiche bevorzugt aneinander angrenzen und/oder ineinander übergehen. Hierdurch kann ein definierter Bereich der zusammengefügten Platten fluiddicht miteinander verbunden werden.
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Das Herstellen fluiddichter Fügeverbindungen stellt hohe Anforderungen an den Fügeprozess. In der Regel werden die Platten zum Herstellen der Fügeverbindung mittels einer Einspannvorrichtung aneinander gepresst. Die Einspannvorrichtung fixiert die Platten innerhalb der Vorrichtung sowie relativ zueinander, was einem Einspannen entspricht.
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Zum Herstellen einer fluiddichten Verbindung wird ein besonders gleichmäßiges und spaltfreies aneinander Anliegen der Platten angestrebt. Bisherige Ansätze, um eine derartige Spaltfreiheit zu erreichen, fokussieren sich auf das Herstellen besonders präzise gefertigter Einspannvorrichtungen. So dienen bisher oftmals eine Ebenheitsmessung und/oder ein Tuschieren der Funktionsflächen in der Einspannvorrichtung zur Grobabschätzung des Kontaktzustandes der Fügepartner. Eine Vermessung der Bauteile, um anschließend Rückschlüsse auf das Kontaktverhalten in der Vorrichtung zu ziehen, ist aufgrund der umformbedingten, spannungsinduzierten Verwerfungen und Deformation sowie deren geringen Formstabilität nur schwer wirtschaftlich und auch technisch zu realisieren. Um dennoch die Fügeaufgabe erfolgreich zu bewältigen, werden bisher deswegen Vorrichtungen mit höchster Fertigungsgenauigkeit sowie höchster Steifigkeit verwendet und solange modifiziert, bis i.O.(in Ordnung)-Bauteile herstellbar sind. Allerdings sind hochpräzise Vorrichtungen und ist die damit verbundene Optimierungsprozedur sehr kosten- und zeitintensiv.
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Es hat sich zudem gezeigt, dass sich auch mit entsprechend hochpräzisen Einspannvorrichtungen nicht immer fluiddichte Fügeverbindungen in einem ausreichend zuverlässigen Ausmaß herstellen lassen. Somit ist es oftmals erforderlich, nach Herstellen der Fügeverbindung und unter Umständen erst im verbauten Zustand der Bauteile, welche die Fügeverbindung aufweisen, zeit- und kostenintensive Dichtigkeitsprüfungen durchzuführen, die bei einer Massenfertigung unerwünscht sind.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Fügen plattenförmige Bauteile zu verbessern, insbesondere unter Verbessern der Qualität der Fügeverbindung und ferner insbesondere unter zuverlässigem Herstellen fluiddichter Fügeverbindungen. Dies gilt insbesondere für das Fügen dünnwandiger plattenförmiger Bauteile zum Herstellen von Bipolarplatten.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach dem Hauptanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Demnach wird eine Vorrichtung zum Einspannen plattenförmiger Bauteile vorgeschlagen, die im eingespannten Zustand stoffschlüssig aneinander zu fügen sind, insbesondere um eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle herzustellen. Die Bauteile können somit ein Plattenpaar zum Herstellen einer Bipolarplatte bilden.
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Die Vorrichtung weist auf:
- - ein erstes und ein zweites Spannelement (mit anderen Worten: erste und zweite Spannplatten oder Spannmasken), die einen Aufnahmebereich der Vorrichtung zur Aufnahme der einzuspannenden Bauteile zumindest abschnittsweise begrenzen;
- - wenigstens einen Primäraktor, mittels dem eine Kraft derart erzeugbar ist, dass sich das erste und zweite Spannelement unter Einspannen der im Aufnahmebereich angeordneten Bauteile aneinander abstützen, oder, anders ausgedrückt, einen Primäraktor, der dazu eingerichtet ist, das erste und zweite Spannelement unter Einspannen der im Aufnahmeraum angeordneten Bauteile gegeneinander zu verspannen;
- - wenigstens eine Sensoranordnung zum Ermitteln eines Kontaktzustandes der eingespannten Bauteile;
- - wenigstens einen Sekundäraktor, mit dem nach Maßgabe des ermittelten Kontaktzustandes eine Kraft zum zusätzlichen lokalen Aneinanderpressen der eingespannten Bauteile erzeugbar ist, insbesondere um einen verbleibenden Spalt zwischen den Bauteilen zu reduzieren oder aufzuheben.
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Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass trotz hoher Fertigungsgenauigkeiten bisheriger Einspannvorrichtungen ein spaltfreies Aneinanderpressen der Bauteil nicht immer mit einer gewünschten Zuverlässigkeit gelingt. So können Prozesseinflüsse vorliegen, die trotz einer hohen Fertigungsgenauigkeit der Einspannvorrichtung bisher nicht kompensierbar sind und die zumindest lokale Spalte zwischen den aneinandergepressten Bauteilen verursachen können. Dies betrifft zum Beispiel Temperatureinflüsse, Verschleiß der Einspannvorrichtung, Variationen der eingespannten Bauteile aufgrund von Fertigungstoleranzen oder Werkstoffchargeneinflüssen sowie während des Einspannens auftretende Verzüge und Eigenspannungen. Liegt ein Spalt vor, kann dieser durch die Fügeverbindung unter Umständen nicht mehr überbrückt werden und es kann zu nicht reparablen Defekten kommen, wie zum Beispiel Anbindungsfehlern oder Löchern.
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Vorliegend wird daher vorgeschlagen, einen Kontaktzustand (insbesondere eine Spaltgröße) zwischen den Bauteilen sensorisch zu erfassen. Mittels des Sekundäraktors kann der Kontaktzustand zumindest lokal nachjustiert werden, insbesondere derart, dass etwaige verbleibende Spalte aufhebbar sind. Dies kann mittels einer Regelung erfolgen. Anschließend kann im resultierenden spaltfreien Zustand die Fügeverbindung mit (aufgrund der Spaltfreiheit) erhöhter Qualität und insbesondere Fluiddichtigkeit hergestellt werden. Infolgedessen können Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit der Einspannvorrichtung und/oder an den Umfang anschließender Dichtigkeitsprüfungen reduziert werden.
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In Abweichung vom Stand der Technik werden Kontaktbedingungen oder, mit anderen Worten, wird ein Kontaktzustand der Bauteile erfindungsgemäß nicht lediglich indirekt über eine vorab-Überprüfung der Einspannvorrichtung und deren Fertigungsgüte eingestellt. So kann zum Beispiel vorgesehen sein, dass die Fügebedingungen (insbesondere in Form eines Kontaktzustandes der Bauteile) direkt in der Vorrichtung sowie vorgelagert zum Fügen (Pre-Prozess) und/oder während des Fügens gemessen und/oder überprüft und/oder optimiert werden. Damit ist es möglich, insbesondere auf vorgelagerte Prozessschwankungen (z.B. Werkstoffchargeneinflüsse) direkt reagieren zu können und verbesserte Vorrausetzungen für den Fügeprozess insbesondere in Form eines verbesserten und ferner insbesondere spaltfreien Kontaktzustandes zu schaffen. Somit kann eine Basis für hochqualitative Fügeverbindungen mit einer hohen Prozessrobustheit für hochanspruchsvolle Fügeaufgaben gewährleistet werden.
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Insbesondere kann eine Analyse und/oder Messung des Kontaktzustandes der zu fügenden Bauteile sowie eine geregelte Verbesserung dieses Kontaktzustandes im bestmöglichsten Fall bis zu einem sogenannten technischen Nullspalt erfolgen (sh. a. nachstehenden Definition). So können die bevorzugt folienartigen Bauteile (z. B. Dünnblechbauteile) in der Einspannvorrichtung durch Aufbringen einer externen mechanischen und/oder pneumatischen und/oder magnetischen Kraft mittels des Primäraktors fixiert werden. Die Spannelemente, die bevorzugt eine Negativprägung der Bauteiloberflächen aufweisen, können die Bauteile dabei flächig zusammenpressen. Die Sensoranordnung ermöglicht bevorzugt eine Kontaktmessung (oder auch Ermittlung des Kontaktzustandes) durch Bestimmung von Messgrößen bspw. in Form von Kräften, Spannungen und/oder einem Weg.
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Als Sekundäraktor werden vorzugsweise Piezoelemente verwendet, die eine mechanische Bewegung durch Anlegen einer elektrischen Spannung bewirken können. Die Sensoranordnung und der Sekundäraktor können durch ein gemeinsames Element bereitgestellt werden oder als ein gemeinsames Element ausgebildet sein, insbesondere als ein Piezoelement.
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In einer Datenbank können Informationen hinterlegt sein, die den Zusammenhang oder, mit anderen Worten, die Kausalität zwischen Messgröße und Kontaktzustand beschreiben. Dies ermöglicht Rückschlüsse auf den Kontaktzustand zwischen den Bauteilen, insbesondere auf einen etwaigen Spalt hierzwischen. Die gewonnenen Daten werden bevorzugt als Basis für einen Regelkreis verwendet. Allgemein (d.h. mit oder ohne Regelung) kann, wenn Werte der Messgröße außerhalb eines vorher validierten Bereiches liegen (z.B. unterhalb oder oberhalb eines Schwellenwertes), die Spannkraft lokal durch den Sekundäraktor erhöht werden. Die Sensormesswerte können optional auch genutzt werden, um ein selbst nachregelndes System auf Basis künstlicher Intelligenz zu entwickeln, z.B. wenn für unterschiedliche Bauteile (oder Bauteilpaare) der Zusammenhang aus Sensormesswerten und Kontaktzustand gespeichert wird. Zusätzlich oder alternativ kann während des Fügevorgangs dynamisch die Krafterzeugung durch den Sekundäraktor nachgeregelt werden.
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Prinzipiell ermöglicht die offenbarte Lösung auch das Einstellen definierter Spaltabstände, die verschieden von null sind, falls dies für ein bestimmtes Fügeverfahren oder Bauteilpaar bevorzugt wird.
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Es hat sich gezeigt, dass die mit dem Vorsehen von Sekundäraktoren und Sensoranordnungen verbundenen Kosten nicht zwingend einen wirtschaftlichen Nachteil gegenüber einer hochpräzisen Fertigung der Einspannvorrichtung darstellen, insbesondere da die mit den Sekundäraktoren und der Sensoranordnung versehene Einspannvorrichtung nicht mehr ähnlich hochgenau gefertigt werden muss.
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Die plattenförmigen Bauteile können metallische Bauteile sein, d. h. sie können metallische Materialien umfassen oder aus solchen bestehen.
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Unter einem plattenförmigen Bauteil kann insbesondere ein Bauteil verstanden werden, das im Vergleich zu seinen weiteren Abmessungen eine geringe Materialstärke aufweist. Beispielsweise kann es im Vergleich zu seiner Materialstärke eine wenigstens zehnmal oder wenigstens fünfzigmal größere Längen- und Breitenabmessung aufweisen. Die hierin betrachteten plattenförmigen Bauteile sind nicht auf eine bestimmte Form beschränkt. Sie können z.B. einen rechteckförmigen, polygonalen oder ovalen Grundriss aufweisen. Sie können Formelemente, wie zum Beispiel Aussparungen, Sicken, Oberflächenprofilierung, Oberflächenkonturierungen, Vorsprünge oder Kanten aufweisen.
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Die Bauteile können infolge des Aneinanderfügens wenigstens einen fluidleitenden Bereich begrenzen, z.B. einen Fluidkanal, eine Fluidkammer oder allgemein einen freibleibenden Hohlraum.
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Die plattenförmigen Bauteile können dünnwandig sein. Hierunter können Materialstärken von weniger als 1 mm und bevorzugt weniger als 500 µm oder auch weniger als 100 µm verstanden werden. Insbesondere können die plattenförmigen Bauteile aufgrund einer entsprechend dünnwandigen Ausgestaltung folienartig und/oder formschlaff sein.
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Das Aneinanderfügen kann zum Beispiel durch Löten, Schweißen oder Kleben erfolgen, was jeweils Beispiele für stoffschlüssige Fügeverbindungen im Sinne dieser Offenbarung sind. Allgemein kann das Aneinanderfügen derart erfolgen, dass die Fügeverbindung zu einem fluiddichten Verbinden wenigstens eines Bereichs der beiden Bauteile beiträgt oder ein solche fluiddichte Verbindung zumindest abschnittsweise bereitstellt.
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Die Spannelemente können ebenfalls plattenförmig sein. Sie können einander gegenüberliegen und/oder mittels des Primäraktors aufeinander zu bewegt werden. Die Spannelemente können an ihren den Aufnahmeraum begrenzenden Seiten (d. h. ihren den Bauteilen zugewandten Seiten) korrespondierend zu den Bauteilen geformt sein. Insbesondere können die Spannelemente dazu eingerichtet sein, an jeweils einem der Bauteile im Wesentlichen spaltfrei anzuliegen, wofür die Oberfläche eines jeweiligen Spannelements entsprechend dem Bauteil geformt sein kann. Insbesondere können die Spannelemente eine Negativform der anliegenden Oberfläche eines Bauteils aufweisen.
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Der Sekundäraktor stützt sich bevorzugt an wenigstens einem der eingespannten Bauteile ab und/oder kontaktiert dieses. Er kontaktiert jedoch bevorzugt nicht die Spannelemente und/oder leitet darin bevorzugt zumindest nicht direkt Kräfte ein. Der Primäraktor kontaktiert hingegen bevorzugt wenigstens eines der Spannelemente und/oder keines der Bauteile. Anders ausgedrückt stützt sich der Primäraktor bevorzugt über wenigstens eines der Spannelemente (vorzugsweise aber nicht direkt) an den Bauteilen ab.
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Sofern in dieser Offenbarung von eingespannten Bauteilen gesprochen wird, kann hierunter insbesondere verstanden werden, dass die Bauteile unter Aufbringung von Kräften mittels des Primäraktors in der Vorrichtung eingespannt und aneinandergepresst sind.
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Als Kontaktzustand kann allgemein eine zumindest lokale Spaltgröße zwischen den eingespannten Bauteilen erfasst werden. Hierfür kann die Sensoranordnung eine Messgröße erfassen, die in einem bekannten Zusammenhang mit der Spaltgröße steht. Beispielsweise kann die Sensoranordnung als Messgröße eine Kraft erfassen, mit der sich wenigstens eines der Bauteile an der Sensoranordnung während des Einspannens abstützt. Anders ausgedrückt kann die Sensoranordnung dazu eingerichtet sein, einen lokalen Druck oder eine lokale Kraft zu erfassen, mit der sich wenigstens eines der Bauteile nach dessen Einspannen an der Sensoranordnung abstützt. Beträgt die Spaltgröße mehr als 10 % der Materialstärke von zumindest einem der Bauteile, kann ein unzulässig großer Spalt vorliegen.
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In einer Steuereinrichtung der Vorrichtung können Informationen hinterlegt sein (beispielsweise experimentell oder per Simulation ermittelte Kalibrierinformationen), die den Zusammenhang zwischen der Messgröße und dem Kontaktzustand und insbesondere der Spaltgröße beschreiben. Von der Sensoranordnung ermittelte Messgrößen können unter Berücksichtigung dieser und insbesondere unter Zuordnung zu diesen hinterlegten Informationen in die Spaltgröße oder eine anderweitige den Kontaktzustand beschreibende Größe umgerechnet oder, anders ausgedrückt, umgewandelt werden.
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Zusammengefasst sieht eine Weiterbildung vor, dass die Sensoranordnung dazu eingerichtet ist, eine Spaltgröße zwischen den Bauteilen zu ermitteln und/oder eine von der Spaltgröße abhängige Messgröße zu erfassen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Sekundäraktor im Bereich oder, anders ausgedrückt, in der Nähe von einer zwischen den Bauteilen herzustellenden Fügeverbindung angeordnet. Hierunter kann verstanden werden, dass ein Abstand, insbesondere gemessen in einer Bauteilebene und/oder Ebene der Spannelemente, zwischen dem Sekundäraktor und der Fügeverbindung nicht größer als ein definierter Schwellenwert ist. Dieser Schwellenwert kann beispielsweise 10 cm, 20 cm oder 30 cm betragen.
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Alternativ kann der Abstand in einer Ebene gemessen werden, die orthogonal zu einer (Haupt-) Wirkrichtung des Sekundäraktors und/oder Primäraktors und/oder zu einer Bewegungsrichtung wenigstens eines der Spannelemente verläuft. Diese Ebene kann mit der Bauteilebene und/oder einer Ebene der Spannelemente zusammenfallen oder parallel hierzu verlaufen. Unter einer Bauteileebene kann eine Haupterstreckungsebene eines Bauteils verstanden werden, die zum Beispiel eine Plattenebene der Bauteile beschreibt. Allgemein müssen die Bauteile nicht zwingend eben sein, sondern können die vorstehenden Formelemente aufweisen, die sich zum Beispiel lokal quer zu der Bauteilebene erstrecken können.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass wenigstens eines der Spannelemente wenigstens eine (z. B. erste) Ausnehmung umfasst, durch die hindurch wenigstens eines der eingespannten Bauteile zugänglich ist. Hierbei kann es sich zum Beispiel um eine Durchbrechung oder einen freibleibenden Bereich des Spannelementes handeln, durch den hindurch das Bauteil zugänglich ist. Die Zugänglichkeit kann allgemein eine Kontaktherstellung mit dem Bauteil ermöglichen und/oder eine Zugänglichkeit für ein Fügewerkzeug, damit die Fügeverbindung herstellbar ist. Beispielsweise kann durch die Ausnehmung hindurch ein Schweißwerkzeug und insbesondere hiervon emittierte Strahlung (insbesondere ein Laserstrahl) auf wenigstens eines der Bauteile einwirken.
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Bevorzugt ist daher zumindest in demjenigen Bauteil eine Ausnehmung der vorstehenden Art eingebracht, die einem Fügewerkzeug gegenüberliegt.
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In diesem Zusammenhang kann ferner vorgesehen sein, dass der Sekundäraktor einen Abstand zwischen einschließlich 0 cm und nicht mehr als 20 cm von der Ausnehmung aufweist. Der Sekundäraktor kann insbesondere direkt unterhalb der Ausnehmung (zum Beispiel beim oben genannten Abstand von 0 cm) oder neben der Ausnehmung positioniert sein, jeweils zum Beispiel in einer Draufsicht auf dasjenige Spannelement betrachtet, das die Ausnehmung aufweist.
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Der Abstand zwischen Sekundäraktor und Ausnehmung kann entlang einer Achse betrachtet werden, die parallel zu einer Haupterstreckungsebene der eingespannten Bauteile verläuft. Alternativ kann der Abstand in einer Ebene betrachtet werden, die parallel zu der Haupterstreckungsebene verläuft, und in die die Positionen der Ausnehmung und des Sekundäraktors projiziert werden und/oder kann der Abstand relativ zu einer Achse definiert sein, die quer zu der Haupterstreckungsebene verläuft.
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Bevorzugt wird der Sekundäraktor zumindest bei Vorhandensein eingespannter Bauteile aber nicht in der Ausnehmung aufgenommen, sondern liegt dieser beispielsweise allenfalls gegenüber und/oder ist durch die Bauteile von der Ausnehmung getrennt.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass wenigstens der Spannelemente wenigstens eine (z. B. zweite) Ausnehmung aufweist, durch die hindurch sich der Sekundäraktor an wenigstens einem der eingespannten Bauteile abstützen kann. Ist eine Ausnehmung der vorstehenden Art für ein Fügewerkzeug in einem der Spannelemente vorgesehen, kann die Ausnehmung für den Sekundäraktor in dem entsprechend anderen Spannelemente vorgesehen sein. Dies ermöglicht eine kompakte Gestaltung der Vorrichtung und eine gute Zugänglichkeit für das Fügewerkzeug und den Sekundäraktor. Diese Ausnehmungen können sich also beispielsweise gegenüberliegen. Gemäß einer Variante ist die Ausnehmung für das Fügewerkzeug in einem oberen Spannwerkzeug und die Ausnehmung für den Sekundäraktor in einem unteren Spannwerkzeug vorgesehen, wobei sich die Begriffe oben und unten auf eine vertikale Achse beziehen, die mit einer Richtung der Gravitationskraft zusammenfällt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung wenigstens einen formflexiblen Abschnitt auf und der Sekundäraktor ist dazu eingerichtet, die lokale Kraft unter zumindest lokaler Deformation des formflexiblen Abschnitts zu erzeugen und/oder sich unter zumindest lokaler Deformation des formflexiblen Abschnitts an wenigstens einem der Bauteil abzustützen. Beispielsweise kann der formflexible Abschnitt zwischen dem Sekundäraktor und dem Bauteil angeordnet sein. Der formflexible Abschnitt kann von einem der Spannelemente umfasst und zum Beispiel daran befestigt oder darin eingelassen sein. Alternativ kann der formflexible Abschnitt mit dem Sekundäraktor gekoppelt sein und/oder in einer Ausnehmung für den Sekundäraktor der vorstehend geschilderten Art angeordnet sein. Durch ein optionales Verschieben und/oder Deformieren des formflexiblen Abschnitts mittels des Sekundäraktors kann der formflexible Abschnitt sich an wenigstens einem der Bauteile abstützen und/oder in Kontakt hiermit bringender sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Sensoranordnung wenigstens einen Piezosensor, auf den Kräfte von wenigstens einem der eingespannten Bauteile übertragbar sind und/oder an dem sich wenigstens eines der eingespannten Bauteile abstützt. Anders ausgedrückt kann der Piezosensor durch wenigstens eines der eingespannten Bauteile (zum Beispiel infolge von deren Abstützung an dem Piezosensor) deformierbar oder allgemein beeinträchtigbar sein, um in bekannter Weise eine auf den Piezosensor einwirkende Kraft als Messgröße zu ermitteln. Hierfür kann der Piezosensor geeignet innerhalb der Vorrichtung positioniert sein, z.B. nahe oder in einer Oberfläche eines der Spannelemente, wobei diese Oberfläche den Aufnahmeraum begrenzt.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Sensoranordnung wenigstens einen Kraftsensor aufweisen, der auf einem abweichenden physikalischen Messprinzip beruht, beispielsweise eine Kraftmessdose. Zusätzlich oder alternativ können auch Abstandsmessungen von der Sensoranordnung durchgeführt werden, beispielsweise zum Ermitteln eines Abstandes der Bauteile zueinander oder von wenigstens einem Bauteil zu einem der Spannelemente und/oder zu dem Sekundäraktor.
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Der Primäraktor und der Sekundäraktor können voneinander abweichende Aktorprinzipien aufweisen. Allgemein kann der Primäraktor ein pneumatisches, magnetisches, hydraulisches oder elektromotorisches Aktorprinzip und/oder kann der Sekundäraktor ein piezoelektrisches Aktorprinzip aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann der Primäraktor höhere Kräfte erzeugen als der Sekundäraktor. Beispielsweise kann der Primäraktor wenigstens doppelt so hohe oder auch wenigstens fünfmal so hohe Kräfte erzeugen wie der Sekundäraktor. Zusätzlich oder alternativ können der Primäraktor und der Sekundäraktor zueinander entgegengesetzte Wirkrichtungen aufweisen. Beispielsweise kann der Primäraktor eine im Wesentlichen vertikal nach unten gerichtete Kraft erzeugen, wohingegen der Sekundäraktor eine im Wesentlichen vertikal nach oben gerichtete Kraft erzeugt.
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Bevorzugt wirkt der Primäraktor nur auf eines der Spannelemente direkt ein (insbesondere auf ein oberes Spannelement) und/oder verspannt dieses gegen das andere bevorzugt stillstehende Spannelement (insbesondere ein unteres Spannelement).
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren, aufweisend:
- - Anordnen plattenförmiger Bauteile in einem Aufnahmebereich, der durch ein erstes und ein zweites Spannelement zumindest abschnittsweise begrenzt wird;
- - Erzeugen einer Kraft mit einem Primäraktor, sodass sich das erste und zweite Spannelement unter Einspannen der im Aufnahmeraum angeordneten Bauteile aneinander abstützen;
- - Ermitteln eines Kontaktzustandes der eingespannten Bauteile;
- - Erzeugen einer Kraft mit wenigstens einem Sekundäraktor zum zusätzlichen lokalen Aneinanderpressen der eingespannten Bauteile nach Maßgabe (oder auch Funktion) des Kontaktzustandes (zum Beispiel je geringer der Kontakt oder größer der Spalt, desto größer die Kraft).
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Weiter kann das Verfahren den folgenden Schritt umfassen:
- - stoffschlüssiges Aneinanderfügen der eingespannten Bauteile, insbesondere wobei die aneinandergefügten Bauteile eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle bilden.
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Sämtliche hierin im Zusammenhang mit der Vorrichtung offenbarten Erläuterungen und Varianten können auf das Verfahren und insbesondere dessen gleichlautende Merkmale ebenso zutreffen. Ebenso können sämtliche im Zusammenhang mit der Vorrichtung erläuterten Schritte Bestandteil des Verfahrens sein.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der 1 bis 3 erläutert.
- 1 zeigt eine schematische Prinzipskizze einer Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
- 2 zeigt ein mittels der Vorrichtungen aus 1 realisierbarer Regelkreis zum Verringern einer Spaltgröße;
- 3 zeigt eine schematische Prinzipskizze einer Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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In 1 ist eine Prinzipskizze einer Vorrichtung 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt. Die Ansicht entspricht eine Teilschnittansicht der Vorrichtung 10, wobei die Schnittebene orthogonal zu einer (Platten-) Ebene nachstehend erläuterter plattenförmige Spannelemente 12, 14 verläuft. Aus Darstellungsgründen sind die Umrisse dieser Spannelemente 12, 14 gestrichelt dargestellt. Eine vertikale Bildachse entspricht einer vertikalen Raumachse, die entlang der Richtung der Gravitationskraft ausgerichtet ist.
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Die Vorrichtung 10 weist die Spannelemente 12, 14 auf, die einander gegenüberliegen, und sich in die Bildebene orthogonal hinein erstrecken sowie im ungeschnittenen Zustand auch orthogonal aus dieser hervorstehen. Sie können eine deutlich größere horizontale Erstreckung aufweisen, als dargestellt. Die Spannelemente 12, 14 sind relativ zueinander bewegbar und genauer gesagt unter Verringerung ihres vertikalen Abstandes aufeinander zu und voneinander wegbewegbar. Das in 1 untere Spannelement 14 ist bevorzugt feststehend, während das obere Spannelemente 12 bevorzugt mittels eines Primäraktors 22 bewegbar ist (beispielsweise vertikal verschieblich, lediglich beispielhaft sind zwei Primäraktoren 22 gezeigt).
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Die einander gegenüberliegenden Spannelemente 12, 14 begrenzen einen Zwischenraum, der einen Aufnahmeraum 24 für zwei plattenförmige Bauteile 26 bildet. Die plattenförmigen Bauteile 26 sind dünnwandige Blechbauteile, die auch als folienartig bezeichnet werden können und die ebenfalls eine deutlich größere horizontale Erstreckung aufweisen können als abgebildet. Die plattenförmigen Bauteile 26 weisen lediglich beispielhaft aus ihrer in 1 horizontalen Haupterstreckungsebene E hervorstehende Bereiche 28 auf (nur für das in 1 obere Bauteil mit einem entsprechenden Bezugszeichen versehen). Sie können jedoch auch eben sein oder jegliches andere hierin offenbarte Formmerkmal aufweisen.
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Die Spannelemente 12, 14 sind an ihren den Aufnahmeraum 24 begrenzenden Oberflächen, welche durch die Bauteile 26 in 1 verdeckt sind, korrespondierend zur Oberfläche der Bauteile 26 geformt oder, mit anderen Worten, korrespondierend profiliert. Somit können die Bauteile 26 bündig an den genannten Oberflächen der Spannelemente 12, 14 anliegen. Anders ausgedrückt weisen die Spannelemente 12, 14 an ihren den Aufnahmeraum 24 begrenzenden Oberflächen eine Negativform eines jeweils anliegenden Bauteils 26 auf.
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Das obere Spannelement 12 weist eine lediglich beispielhaft trichterartig geformte Ausnehmung 16 auf, die eine lokale sowie vertikale Durchbrechung durch das Spannelement 12 definiert. Das untere Spannelement 14 weist zwei Ausnehmungen 18 auf, die ebenfalls lokal begrenzte vertikale Durchbrechungen durch das Spannelement 14 definieren und in denen jeweils ein Sekundäraktor 20 aufgenommen ist.
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Die Ausnehmungen 18 sowie die darin angeordneten Sekundäraktoren 20 sind gegenüber der oberen Ausnehmung 16 seitlich versetzt. Genauer gesagt sind sie von einer vertikalen Achse A, die beispielhaft mittig durch und längs der oberen Ausnehmung 16 verläuft, um einen Abstand Z beanstandet. Dieser Abstand Z beträgt beispielhaft zwischen 2 cm und 20 cm. Dies ermöglicht, dass diese Sekundäraktoren 20 in ausreichender Nähe zu der Ausnehmung 16 sowie zu einer dort herzustellenden Schweißnaht 30 positioniert sind, jedoch nicht unmittelbar im Bereich der herzustellenden Schweißnaht 30, was den Herstellungsprozess erschweren könnte.
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Die Ausnehmungen 16, 18 bilden bevorzugt jeweils lediglich lokale Ausnehmungen oder Bohrungen darin eingebracht und vom Material der Spannelemente 12, 14 umgeben. Eine Form zumindest der oberen Ausnehmung 16 kann nach Maßgabe einer herzustellenden Schweißnaht 30 gewählt sein. Beispielsweise kann die Ausnehmung 16 einen rechteckigen Grundriss aufweisen, um eine umlaufende rechteckige Schweißnaht 30 herstellen zu können.
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Im Gegensatz zur gegenwärtigen rein schematischen Darstellung können mehrere Ausnehmungen 16, 18 in Randbereichen der Vorrichtung 10 und/oder der Bauteile 26 vorgesehen und/oder entlang derartiger Randbereiche verteilt sein. Allgemein bevorzugt wird, dass im Bereich oder auch in der Nähe von (zum Beispiel gemessen als Abstand Z) jeder Ausnehmung 16 auch wenigstens eine Ausnehmung 18 mit einem Sekundäraktor 20 vorgesehen ist, um ein spaltfreies Herstellen einer Fügeverbindung in einer jeweiligen Ausnehmung 16 zu gewährleisten.
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Die Vorrichtung 10 umfasst auch eine Sensoranordnung 32, die lediglich beispielhaft in oder an dem unteren Spannelement 14 angeordnet ist. Die Sensoranordnung 32 kann alternativ oder zusätzlich in einer Ausnehmung 18 des unteren Spannelements 14 angeordnet sein und/oder an einem Sekundäraktor 20 oder in diesen integriert sein. Auch ein Anordnen an dem oberen Spannelement 12 ist möglich.
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Die Bauteile 26 stützen sich an der Sensoranordnung 32 ab, wobei das untere Bauteil 26 die Sensoranordnung 32 bevorzugt kontaktiert. Die Sensoranordnung 32 erfasst als Messgröße eine von den Bauteilen 26 auf sie aufgebrachte Kraft. Diese Messgröße wird über eine angedeutete Datenleitung 34 an eine Steuereinrichtung 36 der Vorrichtung 10 übertragen.
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Im Betrieb werden die Bauteile 26 bevorzugt auf das untere Spannelement 14 sowie aufeinander gelegt, woraufhin das obere Spannelement 12 unter Aufbringen einer Kraft F1 mittels wenigstens einem Primäraktor 22 abgesenkt und gegen das untere Spannelement 14 verspannt wird. Hierdurch wird der Aufnahmeraum 24 verkleinert und werden die Bauteile 26 aneinandergepresst. Insbesondere in Bereichen, in denen die Bauteile 26 flächig und gewünscht spaltfrei aneinander anliegen (sollen), wird anschließend eine Fügeverbindung hergestellt, bei der es sich im gezeigten Beispiel um eine gepunktet angedeutete Schweißnaht 30 handelt. Gezeigt ist, dass diese Schweißnaht 30 im Bereich der Ausnehmung 16 des oberen Spannelements 12 positioniert ist. Anders ausgedrückt ist die herzustellenden Schweißnaht 30 und/oder ein Bereich der Bauteile 26, an oder in denen die Schweißnaht 30 herzustellen ist, durch die Ausnehmungen 16 hindurch für ein nicht gesondert dargestelltes Fügewerkzeug zugänglich (zum Beispiel für ein robotergeführtes Laserschweißgerät).
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Insbesondere aufgrund erläuterter Temperatureinflüsse oder Fertigungstoleranzen kann jedoch der Fall eintreten, dass auch in Bereichen, in denen die Bauteile 26 flächig und spaltfrei aneinander anlegen sollen, ein Spalt S verbleibt. Anders ausgedrückt kann dort ein technischer Nullspalt nicht zuverlässig hergestellt werden, was aber für ein fehlerfreies und vor allem fluiddichtes Verschweißen bevorzugt wird. Unter einem technischen Nullspalt kann ein technisch kleinstmöglich herstellbarer Abstand der Bauteiloberflächen zueinander verstanden werden, der zum Beispiel lediglich aufgrund verbleibender Oberflächenrauheiten nicht vollständig null ist.
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Wenn die Bauteile 26 mittels des Primäraktors 22 aneinandergepresst werden, erfasst die Sensoranordnung 32 die von den Bauteilen 26 auf sie übertragene Kraft und leitet die entsprechende Messgröße an die Steuereinrichtung 36 weiter. In der Steuereinrichtung 36 sind Informationen betreffend den Zusammenhang der Messgröße der Sensoranordnung 32 und eines Kontaktzustandes zwischen den Bauteilen 26 hinterlegt. Im gezeigten Fall betrifft der Kontaktzustand (oder, mit anderen Worten, das Kontaktausmaß) den verbleibenden lokalen Spalt S zwischen den Bauteilen 26 im Bereich der Sensoranordnung 32. Allgemein gilt, dass je größer der verbleibende Spalt S, desto geringer ist die mit der Sensoranordnung 32 gemessene Kraft.
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Überschreitet der ermittelte Spalt S einen zulässigen Schwellenwert (z.B. 10 % der Bauteil-Blechdicke), steuert die Steuereinrichtung 36 über angedeutete Steuerleitungen 38 die Sekundäraktoren 20 an, die jeweils eine Kraft F2 zur Reduzierung des verbleibenden Spalts S aufbringen. Die Höhe der zweiten Kraft F2 kann nach Maßgabe des ermittelten Spaltwertes S und/oder eines Verhältnisses zum betrachteten Schwellenwert gewählt sein, welche jeweils Beispiele für eine Regelabweichung des nachstehenden Regelkreises aus 2 sind, nach deren Maßgabe eine lokale Kraft F2 erzeugt wird. Je größer der ermittelte Spalt und/oder je höher die Abweichung vom Schwellenwert, desto höher kann die Kraft F2 gewählt sein. Wiederkehrende Merkmale sind in den Figuren jeweils mit identischen Bezugszeichen versehen.
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Alternativ zum Ermitteln eines konkreten Spaltwertes S kann die Steuereinrichtung 36 auch lediglich die von der Sensoranordnung 32 gemessene Kraft mit einem Kraft-Schwellenwert vergleichen. Unterschreitet die gemessene Kraft einen definierten und zum Beispiel experimentell ermittelten Kraft-Schwellenwert, kann darauf geschlossen werden, dass ein unzulässiger großer Spalt S zwischen den Bauteilen 26 vorliegt, der aufzuheben ist.
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Auch kann das Vorliegen eines Spalts S anhand von Abweichungen der Messgrößen einer Vielzahl von Sensoranordnungen 32 untereinander ermittelt werden. Dies kann insbesondere bei einer Vielzahl von Ausnehmung 16 und dort jeweils herzustellenden Fügeverbindungen 30 der Fall sein, wobei jeder Fügeverbindungen 30 wenigstens eine Sensoranordnung 32 zugeordnet ist. Weicht wenigstens eine der Messgrößen der Sensoranordnungen 32 signifikant von den anderen ab (insbesondere bei einem signifikanten Unterschreiten), kann darauf geschlossen werden, dass dort ein unzulässig großer Spalt S vorliegt.
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Allgemein kann die von den Sekundäraktoren 20 zu erzeugende Kraft F2 nach Art einer Steuerung durch die Steuereinrichtung 36 vorgegeben werden. Bevorzugt wird jedoch nach Art einer Regelung und insbesondere fortlaufend während eines Erzeugens der Kraft F2 mittels der Sensoranordnung 32 erneut die von den Bauteilen 26 übertragene Kraft gemessen. Daraufhin kann die Steuereinrichtung 36 ermitteln, ob nach wie vor eine unzulässig hohe Spaltgröße vorliegt. Falls dies der Fall ist, kann die Kraft F2 nach Art einer Regelung angepasst und insbesondere erhöht werden. Hierdurch kann auch auf erst während des Einspannens oder Fügens z.B. infolge von Verzug auftretende Spalte reagiert werden.
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Der resultierende Regelkreis ist beispielhaft in 2 gezeigt. Zu Beginn (Block 100) werden die Bauteile 26 aneinandergepresst. In Block 200 wird daraufhin mittels der Sensoranordnung 32 ein Messwert erfasst und von der Steuereinrichtung 36 ermittelt, ob ein Spalt S oberhalb eines zulässigen Schwellenwertes vorliegt. Im Block 300 wird dieses Ermittlungsergebnis für eine Festlegung des weiteren Ablaufs verwendet. Liegt keine Schwellenwertüberschreitung vor, wird die Regelung insbesondere unter Aufrechterhalten etwaiger bereits mit den Sekundäraktoren 20 erzeugter Kräfte beendet (Block 400). Handelt es sich hingegen um einen erstmaligen Durchlauf der Regelung, wird die Regelung beim Erreichen von Block 400 abgebrochen und werden die Sekundäraktoren 20 nicht für eine Krafterzeugung angesteuert, da kein unzulässig hoher Spalt S festgestellt wurde.
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Wird hingegen in Block 300 festgestellt, dass ein unzulässig großer Spalt S vorliegt, erfolgt gemäß Block 500 eine Ansteuerung der Sekundäraktoren 20 zum Erzeugen und/oder Anpassen und insbesondere Erhöhen einer Kraft F2. Anschließend kehrt das Verfahren zum Block 200 zurück, um mittels der Sensoranordnung 32 erneut eine die Spaltgröße S und somit den Kontaktzustand anzeigende Messgröße zu erfassen. Dieser Vorgang kann so oft wiederholt werden, bis erstmalig in Block 300 kein verbleibender Spalt S festgestellt und der Block 400 erreicht wird.
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Erst nach einem Herstellen der Fügeverbindung werden die Sekundäraktoren 20 zum Aufheben ihrer Kräfte F2 angesteuert und die Spannelemente 12, 14 voneinander abgehoben, um die zusammengeschweißten Bauteile 26 zu entnehmen.
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In 3 ist eine Vorrichtung 10 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt. Diese ist im Wesentlichen analog zur Variante aus 1 ausgebildet, sodass nicht sämtliche Bezugszeichen erneut eingetragen sind. In Abweichung von 1 weist diese Ausführungsform jedoch deformierbare Formelemente 50 auf, über die sich die Sekundäraktoren 20 an den Bauteilen 26 abstützen. Diese Formelemente 50 können zum Beispiel fest mit dem unteren Spannelement 14 verbunden sein oder, wie dargestellt, mit einem jeweiligen Sekundäraktor 20 verbunden von diesen auf und ab bewegbar sein. Über die deformierbaren Elemente 50 kann eine gleichmäßige Krafteinleitung erfolgen, was ein Beschädigungsrisiko der typischerweise dünnwandigen Bauteile 26 durch die Sekundäraktoren 20 reduziert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 112004000147 B4 [0002]
