DE102021211632A1

DE102021211632A1 - Verfahren zur Herstellung eines Pouchbeutels sowie Umformwerkzeug

Info

Publication number: DE102021211632A1
Application number: DE102021211632.9A
Authority: DE
Inventors: Kartik Jamadar; Christian Theuerkauf
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: POWERCO SE, DE
Priority date: 2021-10-14
Filing date: 2021-10-14
Publication date: 2023-04-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Pouchbeutels (40) für eine Pouchzelle, bei dem eine Pouchfolie (4) klemmend fixiert wird, bei dem die Pouchfolie (4) in einem ersten Bereich (B1) vorgeformt wird, bei dem die Pouchfolie (4) unter Bildung einer ersten Wanne (42) endgeformt wird, wobei der erste Bereich (B1) in einem Eckbereich (B2) des Wannenbodens (46) der ersten Wanne (42) angeordnet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Umformwerkzeug (2) zur Tiefziehumformung einer Pouchfolie (4).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Pouchbeutels durch Tiefziehen sowie ein Umformwerkzeug zur Tiefziehumformung einer Pouchfolie.
Ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug weist typischerweise eine Traktionsbatterie (Hochvolt, HV-Batterie) auf, welche einen Elektromotor zum Antrieb des Kraftfahrzeugs mit Energie versorgt. Dabei ist unter einem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug insbesondere ein Elektrofahrzeug, welches die zum Antrieb notwendige Energie lediglich in der Traktionsbatterie speichert (BEV, battery electric vehicle), ein Elektrofahrzeug mit einem Reichweitenverlängerer (REEV, range extended electric vehicle), ein Hybridfahrzeug (HEV, hybrid electric vehicle), ein Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV, plug-in hybrid electric vehicle) und/oder ein Brennstoffzellenfahrzeug (FCEV, fuel cell electric vehicle) zu verstehen, welches die mittels einer Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie in der Traktionsbatterie zwischenspeichert.
Eine solche, als Lithium-Ionen-Batterie ausgebildete Traktionsbatterie umfasst eine Anzahl an miteinander verschalteten Lithium-Ionen-Batteriezellen (Li-lonen-Batteriezellen). Dabei sind mehrere Varianten der Lithium-Ionen-Batteriezellen, nämlich zylindrische Zellen (Rundzellen), Pouchzellen und prismatische Zellen, bekannt.
Bei einer herkömmlichen Pouchzelle ist eine als Elektrodenstapel oder als Flachwickel ausgebildete Elektrodenanordnung in einer auch als Beutel oder Pouchbeutel bezeichneten Hülle aufgenommen. Diese besteht aus zwei miteinander gefügten Pouchfolien, wobei jede der Pouchfolien eine (Beutel-) Hälfte der Hülle bildet. Alternativ hierzu ist die Hülle aus einer einzigen Pouchfolie gebildet, wobei diese nach Art des „Bookfolding“ gefaltet und die dabei gebildeten Folienabschnitte miteinander gefügt werden. Zweckmäßiger Weise werden hierbei als Pouchfolien Kunststoff-Aluminium-Verbundfolien verwendet. Zumindest eine der Pouchfolien bzw. der Folienabschnitte der Pouchfolie wird im Zuge der Herstellung der Batteriezelle mittels eines Tiefziehprozesses wannenförmig (schalenförmig) umgeformt, so dass ein Aufnahmeraum für die Elektrodenanordnung gebildet wird.
Zur Herstellung einer möglichst hochkapazitiven Pouchzelle werden entsprechend hohe Elektrodenanordnungen verwendet. Dementsprechend muss die jeweilige Pouchfolie entsprechend tief gezogen werden. Dabei besteht allerdings die Gefahr, dass diese - insbesondere in deren Eckbereichen - ausdünnt oder (im Betrieb der Batteriezelle) sogar reist, und somit undicht wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren zur Herstellung eines Pouchbeutels anzugeben. Insbesondere soll die Folie hierbei möglichst tief gezogen und/oder eine Ausdünnung der Pouchfolie beim Tiefziehen reduziert werden. Des Weiteren soll ein hierzu besonders geeignetes Umformwerkzeug angegeben werden.
Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Hinsichtlich des Umformwerkzeugs wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 4 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei gelten die Ausführungen im Zusammenhang mit dem Verfahren auch für das Umformwerkzeug und umgekehrt.
Das Verfahren dient zur Herstellung eines Pouchbeutels, also der Hülle, für eine als Pouchzelle ausgebildete Lithium-Ionen-Batteriezelle. Insbesondere dient das Verfahren zur Tiefziehumformung der Pouchfolie im Zuge deren Herstellung.
Verfahrensgemäß wird eine Pouchfolie zunächst klemmend fixiert. Hierzu wird die Pouchfolie zweckmäßigerweise zwischen einen Niederhalter und einer Matrize eines Umformwerkzeugs eingebracht und anschließend durch gegeneinander Pressen des Niederhalters und der Matrize fixiert.
Die Pouchfolie wird darauf folgend in einem ersten Bereich durch Tiefziehen vorgeformt. Insbesondere wird hierzu ein Vorformstempel verwendet, der auf derjenigen Seite der Pouchfolie angeordnet ist, auf welcher auch der Niederhalter angeordnet ist. Zum Vorformen wird der Vorformstempel bis zu einem Zwischen-Arbeitspunkt in eine erste (Stempel-) Aufnahme der Matrize verfahren.
Zeitlich darauf folgend wird die Pouchfolie durch Tiefziehen endgeformt, sodass die Pouchfolie eine Wannenform aufweist, mit anderen Worten sodass die Pouchfolie eine erste Wanne, also eine erste Pouchbeutelhälfte, bildet. Diese Wanne umfasst dabei als Aufnahmeraum für eine Elektrodenanordnung der Pouchzelle. Die erste Wanne weist dabei einen Wannenboden auf, welchem umfangsseitig Wannenseiten im Wesentlichen senkrecht emporstehen. Insbesondere wird hierzu ein im wesentlichen plattenförmiger erster Stempel, welcher ebenfalls Niederhalterseitig der Pouchfolie angeordnet ist, in die erste Stempelaufnahme der Matrize verfahren. Zweckmäßigerweise korrespondiert die Form des ersten Stempels, insbesondere die Kontur dessen Umfangs, mit der Form der ersten Stempelaufnahme. Zweckmäßigerweise wird zum Endformen der erste Stempel bis zum Zwischen-Arbeitspunkt in die erste Stempelaufnahme der Matrize verfahren, wobei der Stempel und vorzugsweise zusätzlich der Vorformstempel weiter bis zu einem unteren Totpunkt in die erste Stempelaufnahme verfahren.
Allenfalls erfolgt das Endformen dabei derart, dass der anhand des Vorformstempels bearbeitete erste Bereich in einem Eckbereich des Wannenbodens der ersten Wanne angeordnet ist.
Zusammenfassend wird aus einer Pouchfolie durch Vorformen und durch anschließendes Endformen der Pouchbeutel hergestellt. Die Vorformung erfolgt dabei in einem lokal beschränkten Bereich der Pouchfolie, nämlich in einem Eckbereich des im anschließend beim Endformen zu Bildenden Wannenbodens.
Unter einem „Tiefziehprozess“ oder „tiefziehen“ ist hier und im Folgenden insbesondere ein Zugdruckumformen der Pouchfolie zu verstehen. Das Tiefziehen wird hier anhand des entsprechenden Stempel durchgeführt.
Unter „Vorformen“ oder „vorgeformt“ ist hier und im Folgenden insbesondere zu verstehen, dass das Werkstück beziehungsweise die Pouchfolie in eine Gestalt (Form, Grundform) umgeformt wird, welche als Zwischenprodukt (Vorformteil) anschließend weiter verändert oder umgeformt wird. Das Zwischenprodukt ist hierbei eine im ersten Bereich vorgeformte Pouchfolie. Unter einem „Endformen“ oder „endgeformt“ ist hier und im Folgenden insbesondere die weitere Veränderung des Zwischenprodukts in das Endprodukt, also das Umformen der vorgeformten Pouchfolie in die Wannenform zu verstehen.
Besonders vorteilhaft wird aufgrund des Vorformens im Eckbereich des Wannenbodens ein Materialreservoir für das Endformen gebildet. Aufgrund dessen ist eine Ausdünnung der Pouchfolie beim Endformen reduziert. Folglich ist es ermöglicht, die Pouchfolie vergleichsweise tief zu ziehen und/oder die Gefahr eines Reißens der Pouchfolie in diesem Eckbereich ist reduziert.
Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung wird die Pouchfolie zusätzlich zum Vorformen im ersten Bereich in einem zweiten Bereich durch Tiefziehen, insbesondere anhand eines weiteren Vorformstempels, vorgeformt. Anschließend wird die vorgeformte Pouchfolie unter Bildung einer zweiten Wanne, also einer zweiten Pouchbeutelhälfte, durch Tiefziehen, insbesondere anhand eines zweiten Stempels, endgeformt, wobei der zweite Bereich in einem Eckbereich des Wannenbodens der zweiten Wannen angeordnet ist.
Zusammenfassend wird die Pouchfolie in einem ersten Bereich und in einem zweiten Bereich zunächst durch Tiefziehen vorgeformt. Anschließend wird die vorgeformte Pouchfolie durch Tiefziehen derart endgeformt, dass der erste Bereich in einem Eckbereich des Wannenbodens der ersten Wanne und der zweite Bereich in einem Eckbereich des Wannenbodens der zweiten Wanne angeordnet ist.
Besonders bevorzugt erfolgt das Vorformen der Pouchfolie im ersten Bereich sowie im zweiten Bereich gleichzeitig. Auch das Endformen der ersten Wanne und der zweiten Wanne erfolgt vorzugsweise gleichzeitig.
Zweckmäßigerweise sind die erste Wanne und die zweite Wanne dabei fluchtend nebeneinander angeordnet. Zweckmäßigerweise wird die Folie in einem Bereich zwischen den beiden Wannen gefaltet, so dass der Pouchbeutel nach des „Bookfolding“ durch übereinander anordnen der beiden Wannen gebildet wird.
Zur Erleichterung dieser Faltung wird zwischen die erste Wanne und die zweite Wanne eine Faltnut, also eine nutenartige oder kanalartige Vertiefung, in die Pouchfolie eingebracht.
Bei einer derartigen Anordnung der beiden Wannen ist die Gefahr einer Ausdünnung der Pouchfolie in diesen Eckbereichen vergleichsweise groß. Vorzugsweise ist aufgrund dessen der erste (Vorform-)Bereich in einem derjenigen Eckbereiche des Wannenbodens der ersten Wanne vorgesehen und/oder angeordnet, welcher Eckbereich benachbart zur zweiten Wanne angeordnet ist. Zudem ist vorzugsweise ist der zweite (Vorform-)Bereich in einem derjenigen Eckbereiche des Wannenbodens der zweite Wanne vorgesehen und/oder, welcher Eckbereich benachbart zur ersten Wanne angeordnet ist. Auf diese Weise ist in diesen „kritischen“ Eckbereichen aufgrund des Vorformen jeweils ein Materialreservoir für das Endformen gebildet und die Gefahr einer vergleichsweise starken Ausdünnung und damit die Gefahr eines Reißens reduziert.
Beispielsweise erfolgt auch eine Vorformung anhand eines jeweiligen Vorformstempels in den anderen Eckbereichen des Wannenbodens.
Ein Weiterer Aspekt der Erfindung betriff ein Umformwerkzeug zur Tiefziehumformung der Pouchfolie. Insbesondere ist das Umformwerkzeug für eine Tiefziehumformung der Pouchfolie gemäß dem Verfahren in einer oben dargestellten Varianten vorgesehen und eingerichtet.
Das Umformwerkzeug weist dabei die Matrize und den Niederhalter zur klemmenden Fixierung der Pouchfolie zwischen diesen auf. Weiterhin umfasst das Umformwerkzeug den ersten Stempel zum Endformen der Pouchfolie in eine Wannenform durch Tiefziehen. Hierzu die die Matrize die erste (Stempel-)Aufnahme auf, die den Umfang der zu bildenden ersten Wanne definiert. Insbesondere korrespondiert dabei deren Umfang zum Umfang des ersten Stempels. Zum Endformen wird dabei der erste Stempel in einer Tiefziehrichtung in die erste Aufnahme bis zum unteren Totpunkt verfahren.
Erfindungsgemäß umfasst das Umformwerkzeug einen Vorformstempel zum Vorformen der Pouchfolie im ersten Bereich. Hierzu ist der Vorformstempel in Tiefziehrichtung in einen Eckbereich der ersten Aufnahme verfahrbar. Dabei ist der Vorformstempel unabhängig vom ersten Stempel verfahrbar.
Vorzugsweise umfasst das Umformwerkzeug mindestens einen weiteren Vorformstempel zum Vorformen der Pouchfolie in den anderen Eckbereichen des Wannenbodens der ersten Wanne. Hierzu ist der jeweilige weitere Vorformstempel jeweils in einen der anderen Eckbereiche der ersten Aufnahme in Tiefziehrichtung verfahrbar
Zweckmäßigerweise weist der Niederhalter eine Durchfahröffnung für den Vorformstempel und für den ersten Stempel auf.
In vorteilhafter Ausgestaltung weist das Umformwerkzeug einen, geeigneter Weise plattenförmigen, Gegenhalter auf. Dieser ist zweckmäßiger Weise in der ersten Aufnahme in Tiefziehrichtung verfahrbar angeordnet. Beim Vorformen ist der Gegenhalter zweckmäßiger derart angeordnet, dass dessen dem Niederhalter bzw. der Pouchfolie zugewandte (Auflage-)Fläche mit der Auflagefläche der Matrize für die Pouchfolie fluchtet. Somit ist eine gemeinsame ebene Auflagefläche für die Pouchfolie durch Matrize und den Gegenhalters gebildet. Allenfalls umfasst der Gegenhalter dabei für das Vorformen eine, vorzugsweise in Tiefziehrichtung durchgehende, Aussparung, in welche der Vorformstempel verfahrbar ist. Hierzu sind insbesondere die Ecken des Gegenhalters ausgespart.
Vorzugsweise beträgt die Länge und die Breite der Aussparung, also deren Ausdehnung in einer Richtung senkrecht zur Tiefziehrichtung, zwischen dem 1,5-fachen und dem 5-fachen der Breite bzw. der Länge des Vorformstempels. Vorzugsweise beträgt dabei die Länge und die Breite der Aussparung weniger als die Hälfte, insbesondere weniger als ein Drittel der Länge bzw. der Breite der ersten Aufnahme. Beispielsweise weist der Vorformstempel einen quadratischen Querschnitt in einer Schnittebene senkrecht zur Tiefziehrichtung auf, wobei eine Kantenlänge, also eine Breite und eine Länge des Vorformstempels zwischen 0,5 cm und 5 cm, insbesondere zwischen 1,5 cm und 3 cm beträgt. Die Breite und die Länge der Aussparung betragen beispielsweise zwischen 2 cm und 10 cm, insbesondere zwischen 2 cm und 5 cm.
Aufgrund dessen wird beim Vorformen ein Übergangsbereich zwischen demjenigen Bereich der Pouchfolie, den der Vorformstempel kontaktiert und demjenigen Bereich, welche auf der Auflagefläche des Gegenhalter aufliegt gebildet. Auf diese Weise ist die Gefahr einer Ausdünnung oder eines Reißens der Pouchfolie aufgrund des Vorformens vorteilhaft reduziert.
In zweckmäßiger Ausgestaltung des Umformwerkzeugs weist dieses einen zweiten Stempel und eine zweite (Stempel-)Aufnahme in der Matrize für den zweiten Stempel auf. Mittels des zweiten Stempels und der zweiten Aufnahme ist die zweite Wanne in die Pouchfolie einbringbar. Weiterhin umfasst das Umformwerkzeug zumindest einen weiteren Vorformstempel zum Vorformen der Pouchfolie im zweiten Bereich, wobei der bzw. die weiteren Vorformstempel in einen jeweiligen Eckbereich der zweiten Aufnahme in Tiefziehrichtung verfahrbar ist bzw. sind.
Zusammenfassend ist jeder der Vorformstempel ist zum Vorformen der Pouchfolie in der Tiefziehrichtung in die erste Aufnahme oder in die zweite Aufnahme verfahrbar. Entsprechend sind der erste Stempel und der zweite Stempel zum Endformen der Pouchfolie in einer Tiefenrichtung die Wannenform in die erste oder in die zweite Aufnahme verfahrbar.
In einer Offenstellung, in welcher ein zu bearbeitendes Gut, hier die Pouchfolie, in das Umformwerkzeug einbringbar ist, sind dabei der erste Stempel, der zweite Stempel sowie jeder der Vorformstempel außerhalb der ersten bzw. außerhalb der zweiten Aufnahme angeordnet. Mit anderen Worten sind diese Stempel in der Offenstellung hinsichtlich der Tiefziehrichtung vor und beabstandet zur jeweiligen Aufnahme.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Matrize zur Bildung der Faltnut in der Pouchfolie in einem stegartigen Abschnitt zwischen der ersten Aufnahme und der zweiten Aufnahme eine Vertiefung auf. Vorzugsweise erstreckt sich die Vertiefung kanal- oder profilartig entlang der Aufnahmen. Der Niederhalter einen Fortsatz umfasst einen Fortsatz zum Einbringen der Pouchfolie in die Vertiefung auf. Insbesondere drückt der Fortsatz im Schließzustand des Umformwerkzeugs, somit wenn der Niederhalter und die Matrize die Pouchfolie klemmen, die Pouchfolie unter Bildung der Faltnut in die Vertiefung. Vorzugsweise greift dabei der Fortsatz in die Vertiefung ein. Allenfalls ist der Fortsatz in Tiefziehrichtung über der Vertiefung angeordnet.
Alternativ hierzu umfasst das Umformwerkzeug einen zweiteren Stempel zum Einbringen der Faltnut in die Pouchfolie. Dieser ist insbesondere profilartig ausgebildet, so dass eine linienförmiger Kontakt zwischen der Pouchfolie und diesem Stempel gebildet wird.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist der Vorformstempel in einen derjenigen Eckbereiche der ersten Aufnahme verfahrbar ist, welcher benachbart zur zweiten Aufnahme ist, und dass der weitere Vorformstempel in einen derjenigen Eckbereiche der zweiten Aufnahme verfahrbar ist, welcher benachbart zur ersten Aufnahme ist. Wie im Zusammenhang mit dem Verfahren bereits beschrieben ist ein Vorformen der Pouchfolie in den entsprechenden Ecken hinsichtlich einer Ausdünnung bzw. hinsichtlich einer Reduzierung der Gefahr einer Rissbildung vorteilhaft.
In Zweckmäßiger Ausgestaltung weist der erste Stempel und/oder der zweiten Stempel (10) jeweils eine, insbesondere Lochartige, also umfangsseitig vollständig umfasste Durchführung aufweist, durch welche der jeweilige Vorformstempel verfahrbar ist. Zum einen ist auf diese Wiese eine Führung für den jeweiligen Vorformstempel gebildet. Zum anderen wird die Endform der Pouchfolie lediglich durch die Form des Stempels und der zugeordneten (Stempel-) Aufnahme definiert.
Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung ist der erste Stempel, der zweite Stempel und/oder jeder der Vorformstempel heizbar, also erwärmbar. Auf diese Weise ist es ermöglicht, die Pouchfolie beim Vorformen bzw. beim Endformen zu erwärmen, so dass das Umformen erleichtert und/oder eine Spannungsbildung im Material reduziert ist.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

1 schematisch in perspektivischer Ansicht ein Umformwerkzeug zur Tiefziehumformung einer Pouchfolie in einer Offenstellung,
2 schematisch und ausschnittsweise eine alternative Ausgestaltung des Umformwerkzeugs in perspektivischer Ansicht, wobei das Umformwerkzeug einen Vorformstempel sowie einen Niederhalter aufweist, der Niederhalter einen Fortsatz zum Einbringen einer Faltnut in die Pouchfolie aufweist,
3a schematisch eine Teilschnittdarstellung des Umformwerkzeugs gemäß der 2 beim Vorformen der Pouchzelle anhand des Vorformstempels und anhand eines Gegenhalters,
3b schematisch eine Teilschnittdarstellung des Umformwerkzeugs gemäß der 2 beim Endformen der Pouchzelle anhand eines ersten Stempels und einer ersten Aufnahme einer Matrize, sowie anhand eines zweiten Stempels und anhand einer zweiten Aufnahme der Matrize.
4a die vorgeformte Pouchfolie,
4b in vergrößertem Maßstab den Ausschnitt IVb der 4a,
5a die endgeformte Pouchfolie, und
5b in vergrößertem Maßstab den Ausschnitt Vb der 5a.

Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In der 1 ist eine erste Variante eines Umformwerkzeugs 2 dargestellt. Dies dient zur Tiefziehumformung einer Pouchfolie 4. Das Umformwerkzeug weist einen oberen Werkzeugteil 2a und einen unteren Werkzeugteil 2b auf.
Da obere Werkzeugteil 2a umfasst einen Niederhalter 6 mit einer Durchfahröffnung 7, durch welche ein erster Stempel 8 sowie ein zweiter 10 des oberen Werkzeugteils 2a in einer Tiefziehrichtung Z, somit in einer Richtung vom oberen Werkzeugteil 2a zum unteren Werkzeugteil 2b, verfahrbar ist.
Die Stempel 8 und 10 sind dabei plattenförmig mit einer im Wesentlichen rechteckigen Grundfläche ausgebildet. Die beiden Stempel 8, 10 weisen Durchführungen 12 (vgl. insbesondere 3a und 3b) auf, durch welche jeweils ein Vorformstempel 14 des oberen Werkzeugteils 2a in Tiefziehrichtung Z verfahrbar sind. Dabei sind die Durchführungen 12 in den Ecken des ersten bzw. des zweiten Stempels 8, 10 angeordnet.
Das untere Werkzeugteil 2b umfasst eine Matrize 16 mit einer ersten Aufnahme 18 und mit einer zweiten Aufnahme 20. Dabei ist der erste Stempel 8 in die erste Aufnahme 18 und der zweite Stempel 10 in die zweite Aufnahme 20 in Tiefziehrichtung Z verfahrbar.
Der erste Stempel 8 und der zweite Stempel 10 und entsprechend die erste Aufnahme 18 und die zweite Aufnahme 20 sind in X-Richtung nebeneinander angeordnet, wobei die beiden Stempel 8, 10 sowie die beiden Aufnahmen 18, 20 in dieser Richtung X miteinander fluchten.
Wie insbesondere in der 1 erkennbar ist sind zweckmäßiger Weise für jede der Aufnahmen 18, 20 zwei Vorformstempel 14 vorgesehen. Dabei sind die Vorformstempel 14 in diejenigen Eckbereiche der ersten Aufnahme 18 verfahrbar ist, welche hinsichtlich der X-Richtung benachbart zur zweiten Aufnahme 20 sind, also dieser gegenüberliegen. Zudem sind die Vorformstempel in diejenigen Eckbereiche der zweiten Aufnahme 20 verfahrbar ist, welche in X-Richtung benachbart zur ersten Aufnahme 18 sind, also dieser gegenüberliegen.
Gemäß einer nicht weiter dargestellten Variante des Umformwerkzeug sind zudem auch Vorformstempel 14 vorgesehen, die in die anderen Eckbereiche, also in diejenigen Eckbereiche der ersten Aufnahme 18, welche der zweiten Aufnahme 20 abgewandt sind, und in diejenigen Eckbereiche der zweiten Aufnahme 20, welcher der ersten Aufnahme 18 abgewandt sind, verfahrbar sind. Mit anderen Worten ist für jeden Eckbereich der ersten Aufnahme 18 und der zweiten Aufnahme 20 jeweils ein Vorformstempel 14 vorgesehen.
Der erste Stempel 8, der zweite Stempel 10 und/oder jeder der Vorformstempel 14 sind in nicht weiter dargestellter Weise heizbar, so dass die Pouchfolie 4 beim Bearbeiten mit dem Umformwerkzeug in den entsprechenden Bereichen erwärmt und das Umformen erleichtert werden kann.
In der ersten Aufnahme 18 ist dabei erster Gegenhalter 22 angeordnet, wobei dieser in Tiefziehrichtung Z, also nach unten und somit vom oberen Werkzeugteil 2a weg, aus der ersten Aufnahme 18 verfahrbar ist. Entsprechend ist in der zweiten Aufnahme 20 ein zweiter Gegenhalter 24 angeordnet, welcher in Tiefziehrichtung Z, aus der zweiten Aufnahme 20 verfahrbar ist.
Der erste Gegenhalter 22 sowie der zweite Gegenhalter 24 weisen für jeden der Vorformstempel 14 jeweils eine Aussparung 26 auf, so dass der Vorformstempel 14 in Tiefziehrichtung Z in die Aussparung 26 verfahrbar ist. Wie insbesondere in den 3a und 3b erkennbar ist, beträgt eine Breite der Aussparung, also deren Ausdehnung in X-Richtung und eine Länge der Aussparung 26, also deren Ausdehnung in einer zur X-Richtung und zur Tiefziehrichtung Z senkrechten Richtung Y, die zwischen dem 1,5-Fachen und dem 10-Fachen, in der 1 etwa das 5-Fache der Breite bzw. der Länge des jeweiligen Vorformstempels 14.
Zusammenfassend sind die Vorformstempel 14 jeweils in einen der Eckbereich der ersten Aufnahme 18 oder in einen der Eckbereiche der zweiten Aufnahme 20 in Tiefziehrichtung Z verfahrbar.
Eine umfangsseitig auf der Auflagefläche der Matrize 16 verlaufendes Schneidwerkzeug 28 ist dazu vorgesehen, die Pouchfolie 4 beim Fixieren zuzuschneiden.
In der in der 1 dargestellten Offenstellung des Umformwerkzeugs 2 ist das obere Werkzeugteil 2a beabstandet zum unteren Werkzeugteil 2b. Auf diese Weise ist die Pouchfolie 4 zwischen das obere Werkzeugteil 2a und das untere Werkzeugteil 2b einbringbar.
Unter einem Eckbereich des Wannenbodens oder unter einem Eckbereich der Aufnahme ist dabei insbesondere derjenige Bereich zu verstehen, welcher in X-Richtung nicht weiter als 20 %, insbesondere nicht weiter als 10%, der gesamten Ausdehnung des Wannenbodens bzw. der Aufnahme in X-Richtung von der entsprechenden Ecke entfernt ist, und welcher in Y-Richtung nicht weiter als 20 %, insbesondere nicht weiter als 10 %, der gesamten Ausdehnung des Wannenbodens bzw. der Aufnahme in Y-Richtung von der entsprechenden Ecke entfernt ist.
In der 2 ist ausschnittsweise eine alternative Ausgestaltung des Umformwerkzeugs 2 mit Blick auf den Niederhalter 6 dargestellt. Diese alternative Variante des Umformwerkzeugs 2 unterscheidet sich von der Variante der 1 lediglich darin, dass der Niederhalter einen sich in Y-Richtung erstreckenden Steg 30 aufweist, der die Durchfahröffnung 7 mittig teilt. Dabei sind zwei Teilöffnungen 7a und 7b gebildet, wobei der erste Stempel 8 durch die Teilöffnung 7a in Tiefenrichtung Z (Z-Richtung) in die erste Aufnahme 18 verfahrbar ist und wobei der zweite Stempel 10 durch die Teilöffnung 7b in Tiefenrichtung Z (Z-Richtung) in die zweite Aufnahme 20 verfahrbar ist.
Hierbei weist der Steg 30 an dessen dem unteren Werkzeugteil 2b zugewandten Seite einen sich durchgehend in Y-Richtung erstreckenden Fortsatz 32 auf. Mit anderen Worten ist der Fortsatz 32 profilartig ausgebildet. Dieser ist dazu vorgesehen und eingerichtet, die Pouchfolie 4 unter Bildung einer Faltnut 34 in eine korrespondierende, sich in Y-Richtung erstreckende, kanalartige Vertiefung 36, die in einem Zwischenbereich 38 der Matrize16 zwischen der ersten Aufnahme 18 und der zweiten Aufnahme 20 angeordnet ist, einzudrücken.
Alternativ hierzu ist in nicht dargestellter Weise weiterer Stempel vorgesehen, der sich zwischen dem ersten und dem zweiten Stempel 8,10 profilartig in Y-Richtung erstreckt. Dieser ist zur Bildung der Faltnut 34 in die Vertiefung 36 verfahrbar.
Beispielhaft ist zudem in der 2 einer der Vorformstempel 14 dargestellt. Der Vorformstempel 14 weist eine Grundfläche auf, welche quadratisch ist. Eine Seitenlänge der Grundfläche beträgt dabei zwischen 0,5 cm und 5 cm, beispielsweise zwischen 1,0 cm und 3 cm, insbesondere zwischen 1,5 cm und 2,5 cm. Zudem sind die Kanten des Vorformstempels 14 zur Vermeidung einer Beschädigung der Pouchfolie beim Vorformen abgerundet.
In den 3a und 3b ist eine Teilschnittansicht des Umformwerkzeugs 2 mit einem Niederhalter gemäß der 2 dargestellt. Die Schnittfläche ist dabei senkrecht zur Y-Richtung orientiert und verlauft durch zwei der Vorformstempel 14.
In den 3a und 3b ist dabei zum Zwecke einer besseren Erkennbarkeit der Schnitt im Bereich der zweiten Aufnahme 20 dargestellt. Das Umformwerkzeug 2 ist symmetrisch um die Symmetrieachse A, so dass die im Folgenden dargestellten Ausführungen analog für das Umformwerkzeug, für das Vorformen und für das Endformen der Pouchfolie 4 im Bereich der ersten Aufnahme 18 gelten.
In der 3a ist das Umformwerkzeug 2 in einer Schließstellung, in welcher die Pouchfolie zwischen der Matrize 16 und dem Niederhalter 6 klemmend fixiert ist, im Zuge eines Vorformprozesses dargestellt. Hierbei ist der zweite Gegenhalter 24 angeordnet, dass dessen der Pouchfolie 4 zugewandte (Auflage-)Fläche mit der der Pouchfolie 4 zugewandten Auflagefläche der Matrize 14 fluchtet, so dass diese Auflageflächen in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind. Der zweite Stempel 10 ist dabei in Kontakt mit der Pouchfolie 4 und fixiert diese zusätzlich zusammen mit dem zweiten Gegenhalter 24.
Zum Vorformen wird der Vorformstempel 14 in Tiefziehrichtung Z bis zu einem Zwischen-Arbeitspunkt verfahren, so dass die Pouchfolie 4 in einem zweiten Bereich B₂ tiefgezogen, und somit umgeformt wird. Der Vorformstempel wird hierzu in die Aussparung 26 des Niederhalters 24 verfahren. Aufgrund der vergleichsweise großen Ausdehnung des Aussparung 26 wird ein Übergangsbereich B₃ zwischen demjenigen Bereich der Pouchfolie, den der Vorformstempel 14 kontaktiert und demjenigen Bereich, welche auf der Auflagefläche des zweiten Gegenhalters 24 aufliegt, gebildet.
In analoger Weise wird die Pouchfolie 4 in einem ersten Bereich B₁ vorgeformt. Dabei erfolgt das Vorformen der Pouchfolie 4 in ersten Bereich B₁ zeitgleich zum Vorformen im zweiten Bereich B₂. Also werden die für das Vorformen der Bereiche B₁ und B₂ genutzten Vorformstempel 14 parallel zueinander in Tiefziehrichtung Z in den jeweiligen Eckbereich der ersten bzw. der zweiten Aufnahme 18, 20 verfahren.
Beispielsweise wird der jeweilige Gegenhalter 22,24 im Zuge des Endformen zusammen mit dem zugeordneten Stempel 8,10, insbesondere synchron, also mit gleichbleibendem Abstand zum Stempel 8 bzw. 10, in Tiefziehrichtung Z bis in eine Endposition (vgl. 3b) verfahren. Alternativ und bevorzugt wird der jeweilige Gegenhalter 22,24 nach dem Vorformen zuerst in die Endposition verfahren, wobei der jeweils zugeordnete Stempel 8 bzw. 10 anschließend in Tiefziehrichtung Z verfahren wird. Insbesondere verbleibt beim Verfahren der Stempel 8,10 der jeweilige Gegenhalter 22,24 für die Dauer des Endformens in der Endposition.
In der 4a ist dabei die Pouchfolie 4 mit den durch die Vorformstempel 14 vorgeformten ersten Bereich B₁ und zweiten Bereich B₂ dargestellt. Hierbei wurde das Umformwerkzeug 2 mit einem Niederhalter 6 gemäß der 1 genutzt, also ohne Steg 30 und ohne Fortsatz 32. Alternativ kann auch das Umformwerkzeug 2 mit einem Niederhalter 6 gemäß der 2 verwendet werden. In diesem Fall weist die Pouchfolie 4 zusätzlich zu den vorgeformten Bereichen B₁ und B₂ eine Faltnut 30, wie diese in den 5a und 5b gezeigt ist, auf.
In der 3b ist das Umformwerkzeug 2 beim Endformen der Pouchfolie 4 in einen Pouchbeutel 40 gezeigt. Hierbei wurde (nicht weiter dargestellt) der zweite Stempel 10 bis zum Zwischen-Arbeitspunkt in Tiefziehrichtung Z verfahren, wobei der Vorformstempel 14 solange an diesem Zwischen-Arbeitspunkt bleibt. Anschließend wird der zweite Stempel 10 zusammen mit dem Vorformstempel 14 bis zum unteren Totpunkt in die zweite Aufnahme 20 verfahren. Dabei wird die Pouchfolie 4 wannenförmig umgeformt. Mit anderen Worten wird anhand des zweiten Stempels 10 und der zweiten Aufnahme 20 eine zweite Wanne 44 gebildet.
Analoges gilt für die Bildung einer ersten Wanne 42 anhand des ersten Stempels 8 und der ersten Aufnahme 18.
Die Pouchfolie mit der ersten und der zweiten Wanne 42, 44 ist in den 5a und 5b dargestellt. Der erste Bereich B₁ und der zweite Bereich B₂ sind hierbei strichliniert dargestellt. Allerdings ist der Wannenboden 46 der ersten Wanne 42 und der Wannenboden 48 der zweiten Wanne 44 im endgeformten Zustand eben.
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

2: Umformwerkzeug
2a: oberer Werkzeugteil
2b: unterer Werkzeugteil
4: Pouchfolie
6: Niederhalter
7: Durchfahröffnung
8: erster Stempel
10: zweiter Stempel
12: Durchführung
14: Vorformstempel
16: Matrize
18: erste Aufnahme
20: zweite Aufnahme
22: erster Gegenhalter
24: zweier Gegenhalter
26: Aussparung
28: Schneidwerkzeug
30: Steg
32: Fortsatz
34: Faltnut
36: Vertiefung
38: Zwischenbereich
40: Pouchbeutel
42: erste Wanne
44: zweite Wanne
46: Wannenboden
48: Wannenboden
A: Symmetrieachse
B1: erster Bereich
B2: zweiter Bereich
B3: Übergangsbereich
X: X-Richtung
Y: Y-Richtung
Z: Tiefziehrichtung (Z-Richtung)

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Pouchbeutels (40) für einer Pouchzelle aus einer Pouchfolie (4), insbesondere zur Tiefziehumformung der Pouchfolie, - bei dem eine Pouchfolie (4) klemmend fixiert wird, - bei dem die Pouchfolie (4) in einem ersten Bereich (B₁) durch Tiefziehen vorgeformt wird, - bei dem die Pouchfolie (4) unter Bildung einer ersten Wanne (42) durch Tiefziehen endgeformt wird, wobei der erste Bereich (B₁) in einem Eckbereich des Wannenbodens (46) der ersten Wanne (42) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pouchfolie (4) in einem zweiten Bereich (B₂) vorgeformt wird, wobei die Pouchfolie (4) anschließend unter Bildung einer zweiten Wanne (44), endgeformt wird, wobei der zweite Bereich (B₂) in einem Eckbereich des Wannenbodens (48) der zweiten Wannen (44) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Faltnut (34) zwischen die erste Wanne (42) und die zweite Wanne (44) eingebracht wird.
Umformwerkzeug (2) zur Tiefziehumformung einer Pouchfolie (4), insbesondere gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, aufweisend - eine Matrize (16) und einen Niederhalter (6) zur klemmenden Fixierung der Pouchfolie (4), - einen ersten Stempel (8) zum Endformen der Pouchfolie (4) durch Tiefziehen in eine Wannenform, wobei die Matrize (16) eine erste Aufnahme (18) für den ersten Stempel (8) beim Endformen aufweist, und - einen Vorformstempel (14) zum Vorformen der Pouchfolie (4) durch Tiefziehen in einem ersten Bereich (B1), - wobei der Vorformstempel (14) in einen Eckbereich der ersten Aufnahme (18) verfahrbar ist.
Umformwerkzeug (2) nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen ersten Gegenhalter (22), wobei der erste Gegenhalter (22) zum Vorformen der Pouchfolie (4) eine Aussparung (26) für den Vorformstempel (14) aufweist, und/oder wobei die Aussparung (26) des Gegenhalters zur Bildung eines Übergangsbereichs (B₃) in der Pouchfolie (4) eine Breite und/oder eine Länge aufweist, die zwischen dem 1,5-fachen und dem 5-fachen der Breite und/oder der Länge des Vorformstempels (14) beträgt.
Umformwerkzeug (2) nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch einen zweiten Stempel (10) und durch eine zweite Aufnahme (20) in der Matrize (16) für den zweiten Stempel (10), wobei ein weiterer Vorformstempel (14) zum Vorformen der Pouchfolie (4) in einen Eckbereich der zweiten Aufnahme (20) verfahrbar ist.
Umformwerkzeug (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrize (16) zur Bildung einer Faltnut (34) in der Pouchfolie (4) zwischen der ersten Aufnahme (18) und der zweiten Aufnahme (20) eine Vertiefung (36) und der Niederhalter (6) einen Fortsatz (32) zum Einbringen der Pouchfolie in die Vertiefung (36) aufweist.
Umformwerkzeug (2) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorformstempel (14) in einen derjenigen Eckbereich der ersten Aufnahme (18) verfahrbar ist, welcher benachbart zur zweiten Aufnahme (20) ist, und dass der weitere Vorformstempel (14) in einen derjenigen Eckbereiche der zweiten Aufnahme (20) verfahrbar ist, welcher benachbart zur ersten Aufnahme (18) ist.
Umformwerkzeug (2) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stempel (8) und/oder der zweiten Stempel (10) jeweils eine Durchführung (12) aufweist, durch welche der jeweilige Vorformstempel (14) verfahrbar ist.
Umformwerkzeug (2) nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stempel (8), der zweite Stempel (10), und/oder der oder jeder Vorformstempel (14) heizbar ist.