DE102022107942A1

DE102022107942A1 - Stapeleinheit zur Herstellung von Modulen oder Vorstufen von Modulen

Info

Publication number: DE102022107942A1
Application number: DE102022107942.2A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Penzl; Konstantin Koch
Original assignee: Mb Atech GmbH
Current assignee: Mb Automation & Co Kg De GmbH
Priority date: 2022-04-04
Filing date: 2022-04-04
Publication date: 2023-10-05
Also published as: WO2023194046A1

Abstract

Eine Stapeleinheit dient zur Herstellung von Modulen oder Vorstufen von Modulen, insbesondere von Lagenmaterial enthaltenden Brennstoff- oder Batterie-Zellen, wobei an wenigstens einer Stapelstelle eine erste Hubeinrichtung mit einer Aufnahme den wenigstens einen leeren Werkstückträger von einer zentralen Transportstrecke entnehmen und diesen nach einem Befüllen auf die zentrale Transportstrecke zum Fördern zu einer nachfolgenden Prozess-Station zurückgeben kann; eine oder mehrere Stapelvorrichtungen einzelne Anoden-Lagen und einzelne Kathoden-Lagen zum Bilden eines Elektroden-Stapels abwechselnd zu der Stapelstelle herantransportieren und auf dem an der Stapelstelle befindlichen Werkstückträger stapeln können; und wenigstens ein erster und wenigstens ein zweiter Klemmfinger vorgesehen und dazu eingerichtet sind, mit der jeweils obersten der Anoden- und Kathoden-Lagen in Eingriff zu kommen und diese gegen den Elektroden-Stapel zu drängen.

Description

Hintergrund
Hier werden eine Stapeleinheit und ein Verfahren zur Herstellung von Modulen oder Vorstufen von Modulen offenbart. Diese Module oder Vorstufen von Modulen können Lagenmaterial enthaltende Brennstoff- oder Batterie-Zellen sein. Details hierzu sind in den Ansprüchen definiert. Auch die Beschreibung enthält relevante Angaben zur Struktur und zur Funktionsweise sowie zu Varianten der Vorrichtung und des Verfahrens.
Stand der Technik
Die JP 2014 078464 A betrifft eine Laminiermaschine zur Herstellung eines laminierten Körpers aus einer rechteckigen Folie als positive Elektrode, einer rechteckigen Folie als negative Elektrode, die abwechselnd laminiert werden über eine rechteckige Trennfolie. Ein Förderer dient zum aufeinanderfolgenden Aufnehmen und Fördern der Kathodenfolie, der Anodenfolie und der Trennfolie zu einer vorbestimmten Stapelposition und zum Ausrichten und Stapeln der Kathodenfolie, der Anodenfolie und der Trennfolie an der Stapelposition. Vier erste Halteelemente sind an den vier Ecken des an der Stapelposition zu stapelnden laminierten Körpers angeordnet und dienen dazu, die vier Ecken der Kathodenfolie, die von dem Förderer zu der Stapelposition transportiert und dort platziert werden, oder die vier Ecken der Trennfolie, die von dem Förderer zu der Stapelposition transportiert und dort platziert werden, von oben zu drücken, um sie unter der Kathodenfolie zu stapeln. Erste horizontale Verschiebungseinrichtungen können die Position der ersten Halteelemente in horizontaler Richtung von einer zurückgezogenen Position zumindest außerhalb der Kathodenfolie oder der Trennfolie zu einer Halteposition verschieben, die den vier Ecken der Kathodenfolie oder der Trennfolie entspricht. Ein erstes Mittel zur Verschiebung in vertikaler Richtung dient dazu, die Position des ersten Halteelements in vertikaler Richtung von einer gelösten Position, die zumindest nach oben hin von der Kathodenfolie oder der Trennfolie getrennt ist, in eine Kontaktposition zu verschieben, die in der Lage ist, die Kathodenfolie oder die Trennfolie zu berühren. Vier zweite Halteelemente sind an den vier Ecken des an der Stapelposition zu stapelnden laminierten Körpers vorgesehen, um von oben die vier Ecken der an der Stapelposition befindlichen negativen Elektrodenfolie oder die vier Ecken der der an der Stapelposition befindlichen Trennfolie zu drücken, um unter die negative Elektrodenfolie gestapelt zu werden. Zweite horizontale Verschiebungseinrichtungen dienen dazu, die Position der zweiten Halteelemente in horizontaler Richtung von einer Rückzugsposition zumindest außerhalb der Anodenfolie oder der Trennfolie in eine Halteposition zu verschieben, die den vier Ecken der Anodenfolie oder der Trennfolie entspricht. Die zweiten Verschiebungseinrichtungen zur Verschiebung in vertikaler Richtung dienen dazu, die Position des zweiten Halteelements in vertikaler Richtung von einer Position, die zumindest nach oben von der Anodenfolie oder der Trennfolie getrennt ist, in eine Kontaktposition zu verschieben, in der das zweite Halteelement die Anodenfolie oder die Trennfolie berührt. Wenn eine neue Kathodenfolie, Anodenfolie oder Trennfolie heran gefördert und in die Stapelposition gebracht wird, wird die neu platzierte Kathodenfolie, Anodenfolie oder die Trennfolie durch niedergehalten, und die vier Ecken der bereits darunter platzierten Kathodenfolie, Anodenfolie oder der Trennfolie niedergehalten. Nachdem die vier ersten oder zweiten Halteelemente herausgezogen wurden, werden die vier Ecken der neu platzierten Kathodenfolie, Anodenfolie oder der Trennfolie von den entsprechenden vier ersten oder zweiten Halteelementen festgehalten. Die vier Ecken der neu platzierten Kathodenfolie, Anodenfolie oder des Separators werden durch vier entsprechende erste oder zweite Halteelemente gedrückt. Die Höhe der ersten und zweiten Halteelemente, wenn sie sich von der Halteposition in die Halteposition bewegen, ist so eingestellt, dass sie höher ist als die Höhe der ersten und zweiten Halteelemente, wenn sie von der Halteposition in die Rückzugsposition zurückkehren. Die Hubwege der Halteelemente sind beim Niederhalten der Kathodenfolie, der Anodenfolie oder der Trennfolie bei der Bewegung von der Halteposition in die Rückzugsposition höher als die Hubwege bei der Bewegung von der Halteposition in die Rückzugsposition.
Die WO 2021 171 946 A1 betrifft eine Prüfvorrichtung zum Prüfen der Position der Elektrodenlage in einem Laminat, in dem eine Trennfolie und eine Elektrodenlage durch einen Klebstoff gebunden sind, von der Trennfolienseite aus. Eine Infrarot-Bestrahlungseinheit bestrahlt das Laminat von der Trennfolienseite aus mit Infrarotlicht. Eine für Infrarotlicht empfindliche Kamera nimmt das durch die Trennfolie hindurchgelassene und von der Elektrodenlage reflektierte Infrarotlicht auf. Eine Erfassungseinheit erfasst die Position der Elektrodenlage auf der Grundlage des von der Kamera aufgenommenen Bildes.
Die WO 2021 171 946 A1 betrifft auch einen Stapeltisch, auf dem Laminatstapel aus Trennfolien und Elektrodenlage gestapelt werden. Eine Transporteinheit dient zum Transportieren der Trennfolien und Elektrodenlage und zum Ablegen auf dem Stapeltisch. Die obige Prüfvorrichtung prüft die Position der Elektrodenlage in den von der Transporteinheit freigegebenen Laminatstapel.
Der Transfer des jeweiligen Zwischenprodukts von einer Maschine zur nächsten zu Abweichungen bei der Fertigungspräzision und zu Verzögerungen. Insgesamt ergeben sich so große Schwankungen in der Produktqualität.
Technisches Problem
Ausgehend von dieser Situation soll eine kostengünstige und robuste Anordnung einer Stapeleinheit und eine Vorgehensweise beim Stapeln von Lagenmaterial mit hoher Verarbeitungsgeschwindigkeit bereitgestellt werden, um Module oder Vorstufen von Modulen, zum Beispiel von Lagenmaterial enthaltenden Brennstoff- oder Batterie-Zellen mit hoher Präzision zu fertigen.
Vorgeschlagene Lösung
Zur Lösung dieses Problems werden eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgeschlagen.
Eine solche Stapeleinheit dient zur Herstellung von Modulen oder Vorstufen von Modulen, auch von Brennstoff- oder Batterie-Zellen, die Lagenmaterial enthalten. An wenigstens einer Stapelstelle ist eine erste Hubeinrichtung mit einer Aufnahme dazu vorgesehen und dazu eingerichtet, mit der Aufnahme den wenigstens einen leeren Werkstückträger von einer zentralen Transportstrecke zu entnehmen und diesen nach einem Befüllen auf die zentrale Transportstrecke zum Fördern zu einer nachfolgenden Prozess-Station zurückzugeben. Eine oder mehrere Stapelvorrichtungen sind vorgesehen und dazu eingerichtet, einzelne Anoden-Lagen und einzelne Kathoden-Lagen zum Bilden eines Elektroden-Stapels abwechselnd zu der Stapelstelle heranzutransportieren und auf dem an der Stapelstelle befindlichen Werkstückträger zu stapeln. Wenigstens ein erster und wenigstens ein zweiter Klemmfinger sind vorgesehen und dazu eingerichtet, mit der jeweils obersten der Anoden- und Kathoden-Lagen in Eingriff zu kommen und diese gegen den Elektroden-Stapel zu drängen.
Die hier vorgestellten Vorrichtungs-Varianten der Stapeleinheit und Verfahrens-Varianten beim Stapeln von Lagenmaterial erlauben eine sehr hohe Präzision, da die einzelnen Lagen sowohl bei der Herstellung als auch beim Transport durchgehend zu einem (Elektroden-)Stapel zusammengedrängt werden. Sowohl während des Aufstapelns der einzelnen Anoden- und Kathoden-Lagen, als auch beim Transport zur nächsten Prozess-Station werden die einzelnen Lagen permanent gegen den Boden eines Ablageraums für den Elektroden-Stapel auf dem Werkstückträger gedrängt. Das stets durch die Klemmfinger gesicherte Aufstapeln der einzelnen Lagen auf dem Werkstückträger und das sichere Klemmen der Module oder ihrer Vorstufen auf den Werkstückträgern beim Transport zur nächsten Prozess-Station kann zu im Vergleich zum Stand der Technik präziserer Fertigung der Module führen und einen vergleichsweise höheren Ausstoß an Module pro Zeiteinheit erlauben.
Weitere vorteilhafte Ausführungen der Vorrichtungen und der Verfahrensweisen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
In einer Variante hat die Stapeleinheit eine zweite Hubeinrichtung sowie wenigstens eine Stelleinrichtung, die vorgesehen und dazu eingerichtet sind, den wenigstens ersten und wenigstens zweiten Klemmfinger relativ zum Werkstückträger in z-Richtung anzuheben oder abzusenken, und/oder quer zu dem Elektroden-Stapel zu bewegen, um mit der jeweils obersten der Anoden- und Kathoden-Lagen in oder außer Eingriff zu kommen, und/oder die jeweils oberste der Anoden- und Kathoden-Lagen gegen den Elektroden-Stapel zu drängen. In einer Variante hat die Stapeleinheit wenigstens einen Aktor, der vorgesehen und dazu eingerichtet ist, wenigstens eine Klemme an dem Werkstückträger zu öffnen oder zu schließen. In einer Variante ist der Aktor dazu eingerichtet, die Klemme während des Stapelns der Anoden- und Kathoden-Lagen in eine Offen-Position zu bringen. In einer Variante ist die Klemme dazu eingerichtet, ohne Betätigung durch den Aktor während des Förderns des Werkstückträgers zu einer nachfolgenden Prozess-Station den Elektroden-Stapel auf dem Werkstückträger festzuhalten. In einer Variante hat die Stapeleinheit mehrere Stapelstellen. In einer Variante ist die zweite Hubeinrichtung vorgesehen und dazu eingerichtet, die wenigstens ersten und wenigstens zweiten Klemmfinger sowie die wenigstens eine Stelleinrichtung an allen der mehreren Stapelstellen (vertikal) in z-Richtung zu bewegen.
In einer Variante sind an jeder Stapelstelle jeweils eine oder zwei Stapelvorrichtungen vorgesehen und dazu eingerichtet, die einzelnen Anoden-Lagen und die einzelnen Kathoden-Lagen von zwei gegenüberliegenden Seiten der zentralen Transportstrecke abwechselnd in eine Stapelposition über dem Werkstückträger heranzutransportieren und auf dem Werkstückträger zu stapeln. Im Fall zweier Stapelvorrichtungen an jeder Stapelstelle wird ein erhöhter Durchsatz erreicht gegenüber einer Ausgestaltung mit einer Stapelvorrichtung an jeder Stapelstelle.
In einer Variante sind die Stapelvorrichtungen vorgesehen und dazu eingerichtet, die einzelnen Anoden-Lagen und die einzelnen Kathoden-Lagen mittels gesteuertem pneumatischem Unterdruck aufzunehmen und während des Transports zu der Stapelposition über dem Werkstückträger halten. Zusätzlich oder alternativ sind die Stapelvorrichtungen vorgesehen und dazu eingerichtet, die einzelnen Anoden-Lagen und die einzelnen Kathoden-Lagen mittels einem gesteuertem pneumatischem Überdruck die einzelnen Anoden-Lagen und die einzelnen Kathoden-Lagen in der Stapelposition abzugeben um die Lagen auf dem Werkstückträger zu stapeln.
In einer Variante der Stapeleinheit ist die erste Hubeinrichtung, zum Beispiel ein Servomotor oder Linearantrieb, vorgesehen und dazu eingerichtet, den Werkstückträger beim Stapeln der einzelnen Anoden-Lagen und einzelnen Kathoden-Lagen um eine Wegstrecke abzusenken, die einer Dicke einer einzelnen Anoden-Lage oder einer einzelnen Kathoden-Lage im Wesentlichen entspricht. Dies erlaubt ein schnelles Heranführen und Abgeben der einzelnen Anoden-Lagen und Kathoden-Lagen, ohne zeitaufwendige Positioniervorgänge der Stapelvorrichtungen ausführen zu müssen.
In einer Variante der Stapeleinheit sind im Fall von zwei einer Stapelstelle zugeordneten Stapelvorrichtungen eine erste der Stapelvorrichtungen vorgesehen und dazu eingerichtet, nur einzelne der Anoden-Lagen zu der Stapelstelle heranzutransportieren, und eine zweite der Stapelvorrichtungen vorgesehen und dazu eingerichtet, nur einzelne der Kathoden-Lagen zu der Stapelstelle heranzutransportieren.
In einer Variante der Stapeleinheit hat jede der Stapelvorrichtungen eine Anlage für die einzelnen Lagen. In einer Variante hat die Anlage wenigstens eine Unter-/Überdruck-Öffnung oder eine poröse Unter-/Überdruck-Fläche, woran die einzelnen Lagen während des Transports zu der Stapelposition. In einer Variante hat die Anlage Vertiefungen, die vorgesehen und dimensioniert sind zum Aufnehmen der wenigstens zwei Klemmfinger, vor dem Stapeln der einzelnen Lagen auf dem Werkstückträger, und zum Freigeben der wenigstens zwei Klemmfinger in Richtung des Elektroden-Stapels, um die jeweils oberste der Anoden- und Kathoden-Lagen gegen den Elektroden-Stapel zu drängen.
In einer Variante der Stapeleinheit ist jede der Stapelvorrichtungen vorgesehen und dazu eingerichtet, gesteuert in einen Abstand über dem Elektroden-Stapel in die Stapelposition gebracht zu werden, der der Dicke weniger der einzelnen Anoden-Lagen oder der einzelnen Kathoden-Lagen, zum Beispiel etwa 0.2 - 5 Lagen, entspricht, um von dort die einzelnen Anoden-Lagen und die einzelnen Kathoden-Lagen durch Abschalten eines pneumatischem Unterdrucks, und/oder Aufbauen eines pneumatischem Überdrucks, und/oder Absenken wenigstens eines der wenigstens zwei Klemmfinger abzugeben, um die Lagen stets gegen den Elektroden-Stapel auf dem Werkstückträger zu drängen.
In einer Variante der Stapeleinheit sind die wenigstens zwei Klemmfinger vorgesehen und dazu eingerichtet, die einzelnen Lagen abwechselnd auf den Werkstückträger zu drängen und festzuklemmen. In einer Variante der Stapeleinheit sind die Klemmfinger einer Gruppe erster Klemmfinger und einer Gruppe zweiter Klemmfinger zugeordnet, und vorgesehen und dazu eingerichtet, gruppenweise von einer oder zwei Seiten der Anoden- und Kathoden-Lagen die jeweils oberste der Anoden- und Kathoden-Lagen gegen den Elektroden-Stapel zu drängen. In einer Variante der Stapeleinheit ist jede der Gruppe erster Klemmfinger und der Gruppe zweiter Klemmfinger auf zwei gegenüberliegende Seiten jeder Stapelstelle in jeweils mindestens zwei Klemmfinger aufgeteilt. In einer Variante der Stapeleinheit haben auf derselben Seite der Stapelstelle befindliche Klemmfinger einer Gruppe einen gemeinsamen Antrieb.
In einer Variante der Stapeleinheit ist jede der Stapelvorrichtungen vorgesehen und dazu eingerichtet, gesteuert in einen Abstand (a) über dem Elektroden-Stapel auf dem Werkstückträger in die Stapelposition zu gelangen, wobei der Abstand (a) der Dicke einer oder einiger einzelnen Anoden-Lagen oder Kathoden-Lagen, zum Beispiel etwa 0.2 - 5 Lagen, entspricht, um von dort durch Absenken wenigstens eines der Klemmfinger die einzelnen Anoden- und Kathoden-Lagen auf dem Werkstückträger zu stapeln.
In einer Variante der Stapeleinheit ist an jeder Stapelstelle eine Aufnahme vorgesehen und dazu eingerichtet ist, wenigstens einen leeren Werkstückträger zu empfangen und in wenigstens einer Richtung positionsgenau aufzunehmen. In einer Variante der Stapeleinheit hat jeder Werkstückträger eine Oberseite, an der eine oder mehrere Klemmen angeordnet und dazu eingerichtet sind, auf der Oberseite des Werkstückträgers befindliche Elektroden-Stapel während des Transports zur nächsten Prozess-Station einzuklemmen. In einer Variante der Stapeleinheit hat jede Klemme wenigstens einen Klemmbacken, der dazu eingerichtet ist, in einer ersten Position auf dem Elektroden-Stapel zu lasten, und in einer zweiten Position einen Ablageraum für den Elektroden-Stapel auf dem Werkstückträger freizugeben. In einer Variante der Stapeleinheit hat jede Klemme eine Federeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, den Klemmbacken in die erste Position auf dem Elektroden-Stapel zu drängen, und eine Press-Stelle aufweist, die dazu eingerichtet ist, eine Krafteinleitung des Aktors in der Stapeleinheit aufzunehmen, wobei die eingeleitete Kraft gegen die Federeinrichtung gerichtet ist und bewirkt, dass der Klemmbacken den Ablageraum freigibt.
Ein Verfahren zur Herstellung von Modulen oder Vorstufen von Modulen, insbesondere von Lagenmaterial enthaltenden Brennstoff- oder Batterie-Zellen, umfasst - in beliebiger, zum Beispiel folgender Reihenfolge - die Schritte:

An wenigstens einer Stapelstelle empfängt eine Aufnahme von einer zentralen Transportstrecke wenigstens einen leeren Werkstückträger.
Eine erste Hubeinrichtung entnimmt mittels der Aufnahme den wenigstens einen leeren Werkstückträger von der zentralen Transportstrecke und gibt diesen nach einem Befüllen auf die zentrale Transportstrecke zum Fördern zu einer nachfolgenden Prozess-Station zurück. Eine oder mehrere Stapelvorrichtungen transportieren einzelne Anoden-Lagen und einzelne Kathoden-Lagen zum Bilden eines Elektroden-Stapels abwechselnd zu der Stapelstelle heran und stapeln die Lagen auf dem an der Stapelstelle befindlichen Werkstückträger. Wenigstens ein erster und wenigstens ein zweiter Klemmfinger kommen mit der jeweils obersten der Anoden- und Kathoden-Lagen in Eingriff und drängen diese gegen den Elektroden-Stapel.

In einer Variante umfasst die zentrale Transportstrecke bei der Stapeleinheit einen in der und gegen die Förderrichtung der Werkstückträger gesteuert zu bewegenden Schlitten. Dieser Schlitten ist dazu eingerichtet, einen oder mehrere der Werkstückträger aufzunehmen, in einen Aufnahmebereich der Stapeleinheit hinein, vom Aufnahmebereich in einen Stapelbereich, und von dem Stapelbereich in einen Abgabebereich zu fördern.
In einer Variante umfasst die Stapeleinheit eine oder mehrere erste Hubvorrichtungen, die dazu eingerichtet sind, einen oder mehrere Werkstückträger aus der zentralen Transportstrecke vertikal zu entnehmen und zurückzusetzen, indem jeweilige der ersten Hubvorrichtungen diese/n Werkstückträger gesteuert von dem Schlitten in z-Richtung anheben bzw. in z-Richtung absetzen.
Die Stapeleinheit umfasst in einer Variante einen ersten Transportabschnitt mit einem Aufnahmebereich, einem Stapelbereich und einem Abgabebereich; mehrere erste Hubvorrichtungen im Stapelbereich; einen Schlitten, der in und entgegen eines Hinwegs entlang eines ersten Transportabschnitts positionierbar ist und eingerichtet ist, mehrere leere Werkstückträger gruppenweise von dem Aufnahmebereich in den Stapelbereich und/oder mehrere Werkstückträger, die jeweils einen im Stapelbereich erstellten Stapel tragen, von dem Stapelbereich in den Abgabebereich zu positionieren.
In einer Variante der Stapeleinheit sind die Hubvorrichtungen dazu eingerichtet, den jeweiligen Werkstückträger für ein Stapeln einzelner Anoden- und einzelner Kathoden-Lagen auf den auf dem Werkstückträger befindlichen Elektroden-Stapel von dem Schlitten zu heben.
In einer Variante der Stapeleinheit hat der Schlitten in Förderrichtung der Werkstückträger eine Länge, die der Erstreckung des Aufnahmebereichs und des Stapelbereichs oder des Stapelbereichs und des Abgabebereichs in Förderrichtung der Werkstückträger zumindest annähernd entspricht.
Der Schlitten ist in einer Variante der Stapeleinheit an zwei gegenüberliegenden Linearführungen längsbeweglich angeordnet ist und hat an jeder Längsseite 2 x N Aufnehmer für N zu positionierende Werkstückträger, wobei die Hubvorrichtungen dazu eingerichtet sind, zwischen den Linearführungen hindurch zu reichen.
In einer Variante der Stapeleinheit ist für die Werkstückträger eine Hubvorrichtung im Aufnahmebereich und eine Hubvorrichtung im Abgabebereich vorgesehen.
Zur Herstellung von Modulen oder Vorstufen von Modulen, insbesondere von Lagenmaterial und / oder Brennstoff- oder Batterie-Zellen dient ein Verfahren, wobei in einer als eine Stapeleinheit ausgestalteten ersten Prozess-Station ein oder mehrere Werkstückträger aus der zentralen Transportstrecke entnommen werden. Auf wenigstens einen aus der zentralen Transportstrecke entnommenen Werkstückträger an wenigstens einer Stapelstelle der Stapeleinheit werden einzelne Anoden-Lagen und einzelne Kathoden-Lagen zum Bilden eines Elektroden-Stapels auf dem jeweiligen Werkstückträger abwechselnd gestapelt. Anschließend werden der eine oder die mehreren Werkstückträger mit dem darauf befindlichen Elektroden-Stapel auf die zentrale Transportstrecke zurückgesetzt.
Vorstehend sind Verfahrensaspekte in Vorrichtungsbegriffen und vice versa dargestellt. Dabei dienen sowohl die Verfahrensaspekte als auch die Vorrichtungsbegriffe zur Erläuterung der Stapeleinheit und ihres Betriebes.
Kurzbeschreibung der Figuren
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der Vorrichtungen und der Verfahrensweisen sind der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung zu entnehmen. Mögliche Abwandlungen werden für einen Fachmann anhand der nachstehenden Beschreibung deutlich, in der auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen ist. Dabei zeigen die Fig. schematisch die hier erörterten Vorrichtungen und erläutern deren Betrieb.
Hierbei zeigen:

1 eine Montagelinie zur Herstellung von Modulen oder Vorstufen von Modulen in einer schematischen Draufsicht;
2 eine Stapeleinheit ausgestaltete Prozess-Station der Montagelinie aus 1 in einer schematischen Seitenansicht;
2a - 2f aufeinanderfolgende Einstellungen der Stapeleinheit aus 2 in jeweiligen Verfahrensschritten in einer schematischen Seitenansicht;
3 eine flächige Anlage der Stapelvorrichtung für die einzelnen Lagen in einer schematischen Ansicht von unten mit unterschiedlichen Positionen für Klemmfinger; und
3a - 3b die flächige Anlage der Stapelvorrichtung aus 3 mit jeweiligen Konfigurationen von Klemmfingern.

Detaillierte Beschreibung von Varianten der Vorrichtungen und der Verfahrensweisen
1 veranschaulicht schematisch einen Teil einer Montagelinie 100 zur Herstellung von Modulen oder Vorstufen von Modulen. Hier wird die Montagelinie 100 exemplarisch anhand der Herstellung von Brennstoff- oder Batterie-Zellen erläutert, die Lagenmaterial und / oder Fluid enthalten. Eine zentrale Transportstrecke 110 fördert hier eine Vielzahl von Werkstückträgern 120 zwischen mehreren Prozess-Stationen. Die zentrale Transportstrecke 110 ist mittels nicht weiter dargestellter Antriebe dazu eingerichtet, in einzelnen der Transportabschnitte die Werkstückträger 120 gruppenweise zu fördern.
Als Zulieferstationen zu der Montagelinie 100 sind eine erste nicht weiter gezeigte Schneid- oder Stanzstation dazu eingerichtet, ein von einer Rolle kommendes, erstes Endlos-Lagenmaterial in gleichförmige Rechteckstücke zu zerteilen und als Folge von vereinzelten Anoden-Lagen AL auf einen Träger 82 abzugeben. Eine nicht weiter gezeigte zweite Schneid- oder Stanzstation ist dazu eingerichtet, ein von einer Rolle kommendes zweites Endlos-Lagenmaterial 92 in gleichförmige Rechteckstücke zu zerteilen und als Folge von vereinzelten Kathoden-Lagen KL auf einen Träger 92 abzugeben. Eine erste Ablagestation 80 speist die vereinzelten Anoden-Lagen AL auf eine erste Transportstrecke 210. Eine zweite Ablagestation 90 speist die vereinzelten Kathoden-Lagen KL auf eine zweite Transportstrecke 310 um sie einer Stapeleinheit 130 zuzuführen. Auf ihrem Transport zur Stapeleinheit 130 werden die Anoden- und Kathoden-Lagen AL, KL durch eine der jeweiligen Transportstrecke 210, 310 zugeordneten Inspektionsstation 84, 94 geführt, um ihre Qualität und/oder Ausrichtung zu überprüfen. Die Kathode ist in einer Variante eine beidseitig leitfähig beschichtete Metallfolie mit einem abstehenden Ableiter-Tab. Die Anode ist in einer Variante eine beidseitig leitfähige beschichtete Metallfolie, welche zwischen zwei dielektrische Folien (Separatoren) einlaminiert ist, wobei der Stromableiter-Tab seitlich, d.h. an einer der kurzen Seiten zwischen den Separatoren hervorsteht.
Eine derartige Montagelinie 100 hat einen ersten Transportabschnitt 116 mit dem Aufnahmebereich 132, dem Stapelbereich 134 und dem Abgabebereich 136. Im Stapelbereich 134 sind mehrere erste Hubvorrichtungen 135 vorgesehen, um Werkstückträger 120 von dem Schlitten 140 in Z-Richtung abzuheben. Dabei ist der Schlitten 140 in und entgegen des Hinwegs 112 entlang eines ersten Transportabschnitts 116 positionierbar. Der Schlitten 140 ist eingerichtet, mehrere leere Werkstückträger 120 gruppenweise von dem Aufnahmebereich 132 in den Stapelbereich 134 und/oder mehrere Werkstückträger, die jeweils einen im Stapelbereich 134 erstellten Stapel tragen, von dem Stapelbereich 134 in den Abgabebereich 136 zu positionieren. Jede Hubvorrichtung 135 ist dazu eingerichtet, den jeweiligen Werkstückträger 120 für ein Stapeln von dem Schlitten 140 hochzuheben. Der Schlitten 140 hat in Förderrichtung (x-Richtung) der Werkstückträger 120 eine Länge, die etwa der Erstreckung des Aufnahmebereichs 132 und des Stapelbereichs 134, oder des Stapelbereichs 134 und des Abgabebereichs 136 in Förderrichtung der Werkstückträger 120 zumindest annähernd entspricht. Der Schlitten 140 ist an zwei gegenüberliegenden Linearführungen längsbeweglich angeordnet und hat an jeder Längsseite 2xN Aufnehmer 142 für N zu positionierende Werkstückträger 120. Die Hubvorrichtungen 135 reichen dazu zwischen den Linearführungen hindurch und können so die N Werkstückträger 120 an ihrer jeweiligen x-, y-Position verbleibend in z-Richtung anheben, während der Schlitten 140 entlang den Linearführungen (in x-Richtung) bewegt wird. Analog ist für die N Werkstückträger 120 die Hubvorrichtung 150 im Aufnahmebereich 132 und jeweils eine Hubvorrichtung im Abgabebereich 136 vorgesehen.
Im Aufnahmebereich 132 sind in der hier gezeigten Variante jeweils mehrere - hier als Vierer-Gruppe - Werkstückträger 120 aus der zentralen Transportstrecke 110 zu entnehmen. In anderen Varianten sind auch mehr oder weniger als vier Werkstückträger 120 aus der zentralen Transportstrecke 110 zu entnehmen. Dazu hat die zentrale Transportstrecke 110 aufstromseitig zu der Stapeleinheit 130 im Aufnahmebereich 132 eine Hubvorrichtung 150, die in einer Variante Teil der zentralen Transportstrecke 110 sein kann, hier in Gestalt eines Scherenhubtischs. Die Hubvorrichtung 150 ist dazu eingerichtet, im Aufnahmebereich 132 eine Vierer-Gruppe der Werkstückträger 120 von der zentralen Transportstrecke 110 abzuheben und auf einen Schlitten 140 zu setzen. Der Schlitten 140 kann in einer Variante ebenfalls ein Teil der zentralen Transportstrecke 110 sein. Dieser Schlitten 140 bei der Stapeleinheit 130 ist in der und gegen die Förderrichtung x der Werkstückträger 120 gesteuert mittels eines nicht weiter veranschaulichten Antriebs zu bewegen um die Gruppe der Werkstückträger 120 aufzunehmen, in den Aufnahmebereich 132 der Stapeleinheit 130 hinein, von dem Aufnahmebereich 132 in einen Stapelbereich 134, und von dem Stapelbereich 134 in einen Abgabebereich 136 zu fördern. Details dieses Bewegungsablaufs sind weiter unten erläutert mit Bezug auf 2a - 2f erläutert.
Im Stapelbereich 134 werden mit einer der Anzahl der Werkstückträger 120 in der Gruppe entsprechenden Anzahl von Stapelvorrichtungen 138 (hier vier) von einer jeweiligen zu beiden Längsseiten der zentralen Transportstrecke 120 befindlichen ersten und zweiten Transportstrecke 210, 310 mit Unterdruck- oder Haft-Tabletts 212, 312, auch Shuttles genannt, einzelne Anoden-Lagen AL und einzelne Kathoden-Lagen KL in den Stapelbereich 134 transportiert (siehe auch 1). Mit anderen Worten sind jedem Werkstückträger 120 im Stapelbereich 134 zwei Stapelvorrichtungen 138 zugeordnet. Dazu ist die Anordnung der Stapelvorrichtungen 138 mit nicht weiter veranschaulichten jeweiligen Antrieben ausgestattet, um die Stapelvorrichtungen 138 individuell vertikal in z-Richtung zum Anheben und Absenken der einzelnen Anoden- und Kathoden-Lagen KL zu bewegen.
Weitere nicht veranschaulichte Antriebe dienen dazu, die Stapelvorrichtungen 138 individuell horizontal in y-Richtung, quer zu der zentralen Transportstrecke 110, zu bewegen, um die einzelnen Anoden- und Kathoden-Lagen AL, KL von den Tabletts der ersten und zweiten Transportstrecke 210, 310 zur jeweiligen Stapelstelle 133 auf dem Werkstückträger 120 im Stapelbereich 134 zu transportieren. Dabei werden auf aus der zentralen Transportstrecke 110 entnommene Werkstückträger 120 an den jeweiligen Stapelstellen 133 der Stapeleinheit 130 einzelne Anoden-Lagen AL von einer ersten Seite der Werkstückträger 120, und einzelne Kathoden-Lagen KL von einer zweiten Seite der Werkstückträger 120 abwechselnd zum jeweiligen der Werkstückträger 120 herangebracht und zum Bilden eines Elektroden-Stapels ES auf dem jeweiligen Werkstückträger 120 gestapelt. Die Montagelinie 100 / die Stapeleinheit 130 gemäß 1 umfasst beispielhaft 4 Stapelstellen 133. Die Stapeleinheit 130 hat des Weiteren mehrere in z-Richtung wirkende erste Hubeinrichtungen 135, je eine pro Werkstückträger 120, um die Werkstückträger 120 gesteuert von dem Schlitten 140 in z-Richtung anzuheben und somit von dem Schlitten 140 zu trennen, und diese/n Werkstückträger 120 gesteuert auf dem Schlitten 140 in z-Richtung abzusetzen. Damit können die Werkstückträger 120 mit dem Lagenmaterial zum Bilden der Elektroden-Stapel ES beschickt werden, während der Schlitten 140 in x-Richtung hin- und her-bewegt werden kann.
An jeder Stapelstelle 133 ist eine flächige Aufnahme 137 mit Positionierzapfen 139 vorgesehen, die einen leeren Werkstückträger 120 erhält und hier positionsgenau aufnimmt (siehe 2). Jeder Werkstückträger 120 hat eine Oberseite, an der eine oder mehrere Klemmen 122 angeordnet sind. Beispielsweise jeweils zwei Klemmen 122 an zwei einander gegenüberliegenden Seiten des Werkstückträgers 120. Diese Klemmen 122 klemmen einen auf der Oberseite des Werkstückträgers 120 befindlichen Elektroden-Stapel ES ein, während dieser zur nächsten Prozess-Station transportiert wird. Dazu hat jede Klemme 122 eine schwenkbare Rolle als Klemmbacken 124, der dazu eingerichtet ist, in einer ersten Position (siehe 2) auf dem Elektroden-Stapel ES zu lasten, und in einer zweiten, in dieser Variante hochgestellten Position (siehe 2a), einen Ablageraum 126 für den Elektroden-Stapel ES auf dem Werkstückträger 120 freizugeben. Jede Klemme 122 hat eine vorgespannte Schraubenfeder als Federeinrichtung 128, die dazu eingerichtet ist, den Klemmbacken 124 in die erste Position auf dem Elektroden-Stapel ES zu drängen. Außerdem hat jede Klemme 122 eine schwenkbare Rolle als Press-Stelle 127, die dazu eingerichtet ist, eine Krafteinleitung des Aktors in der Stapeleinheit aufzunehmen, wobei die eingeleitete Kraft gegen die Federeinrichtung 128 gerichtet ist und ein Freigeben des Ablageraums 126 durch den Klemmbacken 124 bewirkt.
Um einen sicheren Zusammenhalt und ein Verrutschen der einzelnen Anoden-Lagen AL und Kathoden-Lagen KL gegeneinander zu vermeiden, sind an der Oberseite der Werkstückträger 120 mehrere Klemmen 122 angeordnet und dazu eingerichtet, auf der Oberseite des Werkstückträgers 120 befindliche Elektroden-Stapel ES während des Transports zwischen den Prozess-Stationen einzuklemmen. Dazu hat jede Klemme 122 einen rollenförmigen Klemmbacken 124, der an einer Wippe 125 angeordnet ist, um in einer ersten Position (siehe 2) auf dem Elektroden-Stapel ES zu lasten, und in einer zweiten Position (siehe 2a) einen Ablageraum 126 für den Elektroden-Stapel ES auf dem Werkstückträger 120 nach oben für die Stapelvorrichtungen 138 oder andere Bearbeitungswerkzeuge freizugeben. Jede Klemme 122 hat eine Federeinrichtung 128, die dazu eingerichtet ist, den Klemmbacken 124 in die erste Position auf dem Elektroden-Stapel ES zu drängen. Insbesondere ist hier jeder Aktor 129 als Linearaktor, zum Beispiel in Form eines Pneumatikzylinders, ausgestaltet und dazu eingerichtet, eine oder mehrere Klemmen 122 an dem Werkstückträger 120 oder an mehreren benachbarten Werkstückträgern 120 während des Abstapelns der Anoden- und Kathoden-Lagen AL, KL in eine Offen-Position zu bringen und zu halten, so dass ein Ablegen der Anoden- und Kathoden-Lagen AL, KL auf dem Werkstückträger 120 unbehindert von statten gehen kann. Anschließend gibt der/die Aktor/en 129 die Klemme/n 122 frei, so dass der/die Klemme/n 122 ohne Aktor-Betätigung in eine Schließ-Position gehen und während des Förderns des Werkstückträgers 120 zu einer nachfolgenden Prozess-Station den Elektroden-Stapel ES auf dem Werkstückträger 120 festhalten.
In der 2 ist ein in der Stapeleinheit 130 auf einer der ersten Hubeinrichtungen 135 befindlicher Werkstückträger 120 gezeigt, der sich aus dem nicht gezeigten Schlitten 140 herausgehoben an einer Stapelstelle 133 befindet. An dieser Stapelstelle 133 wird der leere Werkstückträger 120 wie nachstehend beschrieben befüllt, und anschließend wieder auf die zentrale Transportstrecke 110 zum Fördern zu einer nachfolgenden Prozess-Station zurückgegeben. Die erste Hubeinrichtung 135 dient wie oben beschrieben dazu, den wenigstens einen leeren Werkstückträger 120 von der zentralen Transportstrecke 110 zu entnehmen. An jeder Stapelstelle 133 transportieren eine Stapelvorrichtung 138 die einzelnen Anoden-Lagen AL (in 1 unten) und eine Stapelvorrichtung 138 die einzelnen Kathoden-Lagen KL (in 1 oben) abwechselnd von beiden Seiten des Werkstückträgers 120 in und gegen die y-Richtung heran und stapeln sie in z-Richtung auf dem Werkstückträger 120 ab. So wächst der Elektroden-Stapel ES auf die gewünschte Lagen-Anzahl.
Wie in 2 veranschaulicht, sind zu beiden Seiten des Werkstückträgers 120 wenigstens ein erster und wenigstens ein zweiter Klemmfinger 410, 420 vorgesehen, die mit der jeweils obersten der Anoden- und Kathoden-Lagen AL, KL in Eingriff kommen und diese stets gegen den wachsenden Elektroden-Stapel ES drängen. Dabei sind die Klemmfinger 410, 420 entlang der Längsseiten des auf der Aufnahme 137 befindlichen Werkstückträgers 120 in Y-Richtung benachbart zu den Klemmen 122 angeordnet. Eine zweite, ebenfalls in z-Richtung wirkende Hubeinrichtung 145 hebt in z-Richtung eine Platte 155 an, auf der die zu beiden Seiten der Aufnahme 137 wirkenden Stelleinrichtungen 157, 159 für die Klemmfinger 410, 420 angeordnet sind. Insbesondere sind auf der Platte 155 vertikal in z-Richtung wirkende Stelleinrichtungen 157 zum Anheben und Absenken der Klemmfinger 410, 420 angeordnet.
Des Weiteren sind auf der Platte 155 horizontal in x-Richtung wirkende Stelleinrichtungen 159 zum Ein- und Ausfahren der Klemmfinger 410, 420 in den Abstapelweg der Anoden- und Kathoden-Lagen AL, KL angeordnet. Die vertikal wirkende Stelleinrichtung 157 wird zusammen mit dem Klemmfinger 410, 420 durch die horizontal wirkende Stelleinrichtung 159 in X-Richtung bewegt. Die Klemmfinger 410, 420 sind hier aus Federstahl gebildet, um federnd nachgiebig auf den Anoden- und Kathoden-Lagen AL, KL zu lasten. Die Platte 155 hat etwa in ihrem Zentrum eine Öffnung 155a. Ein Teil der ersten Hubvorrichtung 135, z.B. eine Hubspindel, durchgreift die Öffnung der Platte 155. Dieser Aufbau gemäß 2 ermöglicht eine besonders kompakte Stapeleinheit 130. Die zweite Hubvorrichtung 145 ermöglicht ein Heranfördern und Wegfördern der leeren bzw. befüllten Werkstückträger 120 durch den Schlitten 140 in den Stapelbereich 134 bzw. aus dem Stapelbereich 134, ohne dass die Klemmfinger mit dem Schlitten 140 kollidieren.
Mit den Stelleinrichtungen 157, 159 sind die Klemmfinger 410, 420 anzuheben oder abzusenken, bzw. quer zu dem Elektroden-Stapel ES bewegen. So können die Klemmfinger 410, 420 mit der jeweils obersten der Anoden- und Kathoden-Lagen AL, KL in oder außer Eingriff kommen und die jeweils oberste der Anoden- und Kathoden-Lagen AL, KL gegen den Elektroden-Stapel ES drängen.
Jede der Stapelvorrichtungen 138 ist dazu vorgesehen und eingerichtet, jeweils entweder die einzelnen Anoden-Lagen AL / die einzelnen Kathoden-Lagen KL mittels gesteuertem pneumatischem Unterdruck aufzunehmen und während des Transports zu der Stapelposition über dem Werkstückträger 120 halten. In einer Variante ist auch vorgesehen, mittels einem kurzen gesteuerten pneumatischen Überdruck-Stoß die einzelnen Anoden-Lagen AL und die einzelnen Kathoden-Lagen KL in der Stapelposition abzugeben, um die Lagen AL, KL auf dem Werkstückträger 120 zu stapeln.
Dazu hat jede der Stapelvorrichtungen 138 eine flächige Anlage 141 für die einzelnen Lagen AL, KL, die mehrere Unter-/Überdruck-Öffnung 143 hat. Hieran haften die einzelnen Lagen AL, KL durch gesteuerten pneumatischen Unterdruck während des Transports zu der Stapelposition 133 fest.
Die flächige Anlage 141 hat außerdem Vertiefungen 147, in denen jeweils einer der Klemmfinger 410, 420 Platz findet. Dabei wird in gesteuerter Weise vor dem Stapeln der einzelnen Lagen AL, KL auf dem Werkstückträger 120 jeweils einer der Klemmfinger 410, 420 in die entsprechende Vertiefung 147 durch seine horizontal in x-Richtung wirkende Stelleinrichtung 159 seitlich eingeführt. Anschließend wird der jeweilige Klemmfinger 410, 420 durch seine vertikal in z-Richtung wirkende Stelleinrichtung 159 in Richtung des Elektroden-Stapels ES in z-Richtung nach unten bewegt, um die jeweils oberste der Anoden- und Kathoden-Lagen AL, KL - zusammen mit dem kurzen gesteuerten pneumatischen Überdruck-Stoß - gegen den Elektroden-Stapel ES auf dem Werkstückträger 120 zu drängen.
Jede der Stapelvorrichtungen 138 hat einen nicht weiter veranschaulichten horizontal in y-Richtung wirkenden Stellantrieb und einen nicht weiter veranschaulichten vertikal in z-Richtung wirkenden Stellantrieb. Damit ist jede der Stapelvorrichtungen 138 gesteuert in einen Abstand a über dem Elektroden-Stapel ES in die Stapelposition zu bringen, der der Dicke weniger der einzelnen Lagen AL, KL, zum Beispiel etwa 0.2 - 5 Lagen, in der hier gezeigten Variante einer Lage entspricht. Von dort werden die einzelnen Lagen AL, KL durch Abschalten des pneumatischem Unterdrucks p-- und Aufbauen des pneumatischem Überdrucks p++, sowie durch Absenken wenigstens eines der Klemmfinger 410, 420 von der jeweiligen Stapelvorrichtung 138 abgegeben, während die Lagen AL, KL stets gegen den Elektroden-Stapel ES auf dem Werkstückträger 120 gedrängt werden.
In den 2, 2a - 2f sind zur besseren Übersicht nur jeweils ein Klemmfinger 410, 420 zu beiden Seiten des Werkstückträgers 120 gezeigt, um die einzelnen Lagen AL, KL abwechselnd gegen den Elektroden-Stapel ES auf dem Werkstückträger 120 zu drängen und dort festzuklemmen.
In der 2a ist ein bereits teilweise aufgestapelter Elektroden-Stapel ES auf dem Werkstückträger 120 veranschaulicht, wobei eine Stapelvorrichtung 138 eine Kathoden-Lage KL herangefördert hat, um diese in den Abstand a über dem Elektroden-Stapel ES in die Stapelposition zu bringen. Aus einem vorherigen Verfahrensschritt lastet der Klemmfinger 420 (in 2a rechts) auf dem Elektroden-Stapel ES, dessen oberste Lage im jetzigen Stadium eine Anoden-Lage AL ist.
In der 2b ist veranschaulicht, wie der Klemmfinger 410 (in 2a links) horizontal in x-Richtung in die Vertiefung 147 der Anlage 141 oberhalb der an der Anlage 141 durch Unterdruck p-- gehaltenen Kathoden-Lage KL eingeführt ist durch die in 2b linke Stelleinrichtung 159.
In der 2c ist veranschaulicht, wie der Klemmfinger 410 (in 2a links) vertikal in z-Richtung aus der Vertiefung 147 der Anlage 141 durch die in 2c linke Stelleinrichtung 157 nach unten bewegt wird und die Kathoden-Lage KL in Richtung des Elektroden-Stapels ES drängt. Gleichzeitig erfolgt ein Überdruck-Stoß p++ aus den Unter-/Überdruck-Öffnungen 143 der Anlage 141. In der 2d ist veranschaulicht, wie der Klemmfinger 420 (in 2a rechts) horizontal in x-Richtung aus der Vertiefung 147 der Anlage 141 herausgezogen wird durch die in 2d rechte Stelleinrichtung 159. Der Überdruck-Stoß p++ aus den Unter-/Überdruck-Öffnungen 143 der Anlage 141 drängt die Kathoden-Lage KL vollflächig in Richtung des Elektroden-Stapel ES, während der Klemmfinger 410 (in 2a links) die Kathoden-Lage KL in Richtung des Elektroden-Stapels ES drängt und in Position hält.
In der 2e ist veranschaulicht, wie der Werkstückträger 120 mit dem um eine Lage angewachsenen Elektroden-Stapel ES durch die erste Hubeinrichtung 135 vertikal um die Dicke einer Lage nach unten in z-Richtung bewegt wird. So erfolgt ein Absenken des Werkstückträgers um die Dicke einer Lage nach jedem Ablegen einer Kathoden-Lage KL bzw. einer Anoden-Lage AL.
Diese vertikale Bewegung um die Dicke einer Lage nach unten in z-Richtung führt, betätigt durch die linke Stelleinrichtung 157 nach unten, gleichzeitig auch der Klemmfinger 410 (in 2a links) aus, der die Kathoden-Lage KL in Richtung des Elektroden-Stapels ES drängt und in Position hält. Währenddessen fährt die eine Stapelvorrichtung 138, welche die Kathoden-Lage KL herantransportiert hat, aus der Stapelposition heraus, wodurch für die Stapelvorrichtung 138, welche die nächste Anoden-Lage KL herantransportiert, der Platz an der Stapelposition frei wird.
In der 2f ist - mit vertauschten Seiten - die in der 2b gezeigte Situation dargestellt. Hier ist der Klemmfinger 420 (in 2f rechts) horizontal in x-Richtung in die Vertiefung 147 der Anlage 141 der neu herangeführten Stapelvorrichtung 138 oberhalb der an der Anlage 141 durch Unterdruck p-- gehaltenen Anoden-Lage AL, eingeführt durch die in 2f rechte Stelleinrichtung 159. Während der ganzen Zeit hält, betätigt durch die linke Stelleinrichtung 157 nach unten, der Klemmfinger 410 (in 2a links die oberste Kathoden-Lage KL auf den Elektroden-Stapel ES gedrängt drängt und in Position.
Die Abfolge der in den 2b - 2f gezeigten Schritte - mit vertauschten Seiten - wird so oft fortgeführt, bis die erforderliche Höhe des Elektroden-Stapels ES erreicht ist.
Wenn der Elektroden-Stapel ES seine erforderliche Höhe aus Anoden-Lagen AL und Kathoden-Lagen KL erreicht hat, wird der Werkstückträger 120 auf in der geeigneten x-Position befindliche Aufnehmer 142 des Schlittens 140 durch die erste Hubeinrichtung 135 abgesetzt. Gleiches passiert für die übrigen Werkstückträger 120 der Gruppe durch eine jeweilige erste Hubeinrichtung 135. Anschließend transportiert der Schlitten 140 die Gruppe der vier Werkstückträger 120 mit den jeweiligen darauf befindlichen Elektroden-Stapeln ES von dem Stapelbereich 134 in den Abgabebereich 136.
In 3 ist die Unterseite der Stapelvorrichtung 138 mit ihren Vertiefungen 147 für jeweils einen der Klemmfinger 410, 420 veranschaulicht, die dem Werkstückträger 120 zugewandt ist, auf dem sich der Elektroden-Stapel ES aufbaut. Außerdem ist eine mögliche Anordnung der Unter-/Überdruck-Öffnungen 143 gezeigt, an denen die einzelnen Lagen AL, KL durch gesteuerten pneumatischen Unterdruck p-- während des Transports zu der Stapelposition fest haften.
Damit die Klemmfinger 410, 420 als Gruppen erster und zweiter Klemmfinger von mehreren Seiten des Werkstückträgers 120 die jeweils oberste der Anoden- und Kathoden-Lagen AL, KL gegen den Elektroden-Stapel ES drängen, sind mehrere Bewegungsabfolgen möglich, von denen nachstehend einige erläutert sind.
Die in der 3 gezeigten Vertiefungen 147 sowie die Positionen A - L für die Klemmfinger sind in konkreten Ausgestaltungen nicht alle vorhanden. In den nachfolgenden Variante sind jeweils nur einige der Positionen A - L für die Klemmfinger eingesetzt.
In einer ersten Variante sind lediglich die Positionen C und I für die Klemmfinger im Einsatz, welche jeweils abwechselnd, etwa wie in den 2a - 2f veranschaulicht, die jeweils oberste der rechteckigen Anoden- und Kathoden-Lagen AL, KL an ihren gegenüberliegenden langen Kanten gegen den Elektroden-Stapel ES drängen und in ihrer Position fixieren. In einer Abwandlung hiervon sind die Positionen F und L an den gegenüberliegenden kurzen Kanten der rechteckigen Anoden- und Kathoden-Lagen AL, KL für die Klemmfinger im Einsatz. Alternativ dazu können dies auch einander diagonal gegenüberliegende Positionen für die Klemmfinger sein, wie zum Beispiel die Positionen A und G, E und K, B und H, oder D und J.
In einer weiteren Variante sind gruppenweise die Positionen L und F abwechselnd mit den Positionen C und I, oder die Positionen D und F abwechselnd mit den Positionen I und L im Eingriff mit der obersten Lage um diese gegen den Elektroden-Stapel ES zu drängen und in ihrer Position zu fixieren.
In einer weiteren Variante sind gruppenweise die Positionen A und G abwechselnd mit den Positionen E und K, oder die Positionen B und H abwechselnd mit den Positionen D und J im Eingriff mit der obersten Lage um diese gegen den Elektroden-Stapel ES zu drängen und in ihrer Position zu fixieren.
In einer weiteren Variante sind gruppenweise die Positionen A und E abwechselnd mit den Positionen G und K, oder die Positionen B und D abwechselnd mit den Positionen H und J im Eingriff mit der obersten Lage um diese gegen den Elektroden-Stapel ES zu drängen und in ihrer Position zu fixieren.
In einer weiteren Variante sind gruppenweise in einem ersten Schritt die Positionen A, F und G im Eingriff mit der obersten Lage um diese gegen den Elektroden-Stapel ES zu drängen und in ihrer Position zu fixieren, und in einem zweiten Schritt die Positionen L, K und E im Eingriff mit der obersten Lage um diese gegen den Elektroden-Stapel ES zu drängen und in ihrer Position zu fixieren. Alternativ sind gruppenweise in einem ersten Schritt die Positionen B, F und H im Eingriff mit der obersten Lage um diese gegen den Elektroden-Stapel ES zu drängen und in ihrer Position zu fixieren, und in einem zweiten Schritt die Positionen L, J und D im Eingriff mit der obersten Lage um diese gegen den Elektroden-Stapel ES zu drängen und in ihrer Position zu fixieren.
In einer weiteren Variante sind gruppenweise in einem ersten Schritt die Positionen B, D, H und J im Eingriff mit der obersten Lage um diese gegen den Elektroden-Stapel ES zu drängen und in ihrer Position zu fixieren, und in einem zweiten Schritt die Positionen A, E, G und K im Eingriff mit der obersten Lage um diese gegen den Elektroden-Stapel ES zu drängen und in ihrer Position zu fixieren. Hierbei können die Klemmfinger der einander gegenüberliegenden Positionen A, K und B, J und D, H und E, G jeweils einem gemeinsamen horizontalen Stellantrieb 159 mit gegenläufiger Spindel zugeordnet sein.
In einer weiteren Variante sind gruppenweise in einem ersten Schritt die Positionen A, B, H und G im Eingriff mit der obersten Lage um diese gegen den Elektroden-Stapel ES zu drängen und in ihrer Position zu fixieren, und in einem zweiten Schritt die Positionen D, E, J und K im Eingriff mit der obersten Lage um diese gegen den Elektroden-Stapel ES zu drängen und in ihrer Position zu fixieren. Hierbei können die Klemmfinger der benachbarten Positionen A, B und H, G und D, E und J, K jeweils einem gemeinsamen horizontalen Stellantrieb 159 zugeordnet sein. Es sei verstanden, dass die einzelnen Klemmfinger der einzelnen Positionen auch jeweils einem eigenen horizontalen Stellantrieb 159 zugeordnet sein können.
In einer weiteren Variante sind gruppenweise in einem ersten Schritt die Positionen A, D, G und J im Eingriff mit der obersten Lage um diese gegen den Elektroden-Stapel ES zu drängen und in ihrer Position zu fixieren, und in einem zweiten Schritt die Positionen B, E, H und K im Eingriff mit der obersten Lage um diese gegen den Elektroden-Stapel ES zu drängen und in ihrer Position zu fixieren. Diese Variante ist als 3a schematisch veranschaulicht. Diese Variante optimiert die Vorteile des Klemmens in der Nähe der Ecken der Lagen. Je weiter weg von einer Ecke der Klemmfinger auf der Lage lastet, desto eher verrutscht der Stapel im äußeren Bereich oder ein treten Falten der Lagen auf. Hierbei hat jeder Klemmfinger einen eigenen horizontalen Stellantrieb 159. Diese Variante aus 3a kann dahingehend abgewandelt sein, dass die gemeinsam in und außer Eingriff kommenden Klemmfinger auf jeweils der gleichen Längsseite A und D, B und E, K und H, J und G jeweils einem gemeinsamen horizontalen Stellantrieb 159 zugeordnet sind, siehe 3b. In anderen Worten haben an einer oder an jeder der beiden Längsseiten zwei nicht unmittelbar benachbarte Klemmfinger, bspw. A und D, einen gemeinsamen Stellantrieb 159. Folglich gibt es eine erste mit der Platte 155 verbundene und in X-Richtung verschiebbare Trägerplatte, auf welcher die beiden vertikal in z-Richtung wirkende Stelleinrichtungen 157 für die Finger A und D angeordnet sind. Ein gemeinsamer Stellantrieb 159 positioniert die erste Trägerplatte. Auf einer zweiten Trägerplatte sind die beiden Stelleinrichtungen 157 für die Finger B und E angeordnet. Diese beiden Trägerplatten greifen während der Positionierung in x-Richtung teilweise ineinander. Dies gilt analog für die Klemmfinger K-H und J-G.
Die vorangehend beschriebenen Varianten der Stapeleinheit, deren Aufbau- und Betriebsaspekte, sowie die Varianten der Verfahrensweise dienen lediglich dem besseren Verständnis der Struktur, der Funktionsweise und der Eigenschaften; sie schränken die Offenbarung nicht etwa auf die Ausführungsbeispiele ein. Die Fig. sind teilweise schematisch. Dabei sind wesentliche Eigenschaften und Effekte zum Teil deutlich vergrößert dargestellt, um die Funktionen, Wirkprinzipien, technischen Ausgestaltungen und Merkmale zu verdeutlichen. Dabei kann jede Funktionsweise, jedes Prinzip, jede technische Ausgestaltung und jedes Merkmal, welches/welche in den Fig. oder im Text offenbart ist/sind, mit allen Ansprüchen, jedem Merkmal im Text und in den anderen Fig., anderen Funktionsweisen, Prinzipien, technischen Ausgestaltungen und Merkmalen, die in dieser Offenbarung enthalten sind oder sich daraus ergeben, frei und beliebig kombiniert werden, so dass alle denkbaren Kombinationen der beschriebenen Vorgehensweise zuzuordnen sind. Dabei sind auch Kombinationen zwischen allen einzelnen Ausführungen im Text, das heißt in jedem Abschnitt der Beschreibung, in den Ansprüchen und auch Kombinationen zwischen verschiedenen Varianten im Text, in den Ansprüchen und in den Fig. umfasst. Auch die Ansprüche limitieren nicht die Offenbarung und damit die Kombinationsmöglichkeiten aller aufgezeigten Merkmale untereinander. Alle offenbarten Merkmale sind explizit auch einzeln und in Kombination mit allen anderen Merkmalen hier offenbart.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2014078464 A [0002]
WO 2021171946 A1 [0003, 0004]

Claims

Eine Stapeleinheit (130) zur Herstellung von Modulen oder Vorstufen von Modulen, insbesondere von Lagenmaterial enthaltenden Brennstoff- oder Batterie-Zellen, wobei - an wenigstens einer Stapelstelle (133) eine erste Hubeinrichtung (135) mit einer Aufnahme (137) dazu vorgesehen und dazu eingerichtet ist, mit der Aufnahme (137) den wenigstens einen leeren Werkstückträger (120) von einer zentralen Transportstrecke (110) zu entnehmen und diesen nach einem Befüllen auf die zentrale Transportstrecke (110) zum Fördern zu einer nachfolgenden Prozess-Station zurückzugeben; - eine oder mehrere Stapelvorrichtungen (138) vorgesehen und dazu eingerichtet sind, einzelne Anoden-Lagen (AL) und einzelne Kathoden-Lagen (KL) zum Bilden eines Elektroden-Stapels (ES) abwechselnd zu der Stapelstelle (133) heranzutransportieren und auf dem an der Stapelstelle (133) befindlichen Werkstückträger (120) zu stapeln; und - wenigstens ein erster und wenigstens ein zweiter Klemmfinger (410, 420) vorgesehen und dazu eingerichtet sind, mit der jeweils obersten der Anoden- und Kathoden-Lagen (AL, KL) in Eingriff zu kommen und diese gegen den Elektroden-Stapel (ES) zu drängen.
Die Stapeleinheit nach Anspruch 1, wobei - eine zweite Hubeinrichtung (145) sowie wenigstens eine Stelleinrichtung (157, 159) vorgesehen und dazu eingerichtet sind, den wenigstens ersten und wenigstens zweiten Klemmfinger (410, 420) anzuheben oder abzusenken, und/oder quer zu dem Elektroden-Stapel (ES) zu bewegen, um mit der jeweils obersten der Anoden- und Kathoden-Lagen (AL, KL) in oder außer Eingriff zu kommen und/oder die jeweils oberste der Anoden- und Kathoden-Lagen (AL, KL) gegen den Elektroden-Stapel (ES) zu drängen; und/oder - wenigstens ein Aktor (129) vorgesehen und dazu eingerichtet ist, wenigstens eine Klemme (122) an dem Werkstückträger (120) zu öffnen oder zu schließen, wobei der Aktor (129) dazu eingerichtet ist, die Klemme (122) während des Stapelns der Anoden- und Kathoden-Lagen (AL, KL) in eine Offen-Position zu bringen, und die Klemme (122) dazu eingerichtet ist, ohne Betätigung durch den Aktor (129) während des Förderns des Werkstückträgers (120) zu einer nachfolgenden Prozess-Station den Elektroden-Stapel (ES) auf dem Werkstückträger (120) festzuhalten; und/oder - die zweite Hubeinrichtung (145) vorgesehen und dazu eingerichtet ist, die wenigstens ersten und wenigstens zweiten Klemmfinger (410, 420) sowie die wenigstens eine Stelleinrichtung (157, 159) in z-Richtung zu bewegen; und/oder - an jeder Stapelstelle (133) jeweils eine oder zwei Stapelvorrichtungen (138) vorgesehen und dazu eingerichtet sind, die einzelnen Anoden-Lagen (AL) und die einzelnen Kathoden-Lagen (KL) von zwei gegenüberliegenden Seiten der zentralen Transportstrecke (110) abwechselnd in eine Stapelposition über dem Werkstückträger (120) heranzutransportieren und auf dem Werkstückträger (120) zu stapeln; und/oder - die Stapelvorrichtungen (138) vorgesehen und dazu eingerichtet sind, die einzelnen Anoden-Lagen (AL) und die einzelnen Kathoden-Lagen (KL) mittels gesteuertem pneumatischem Unterdruck (p--) aufzunehmen und während des Transports zu der Stapelposition über dem Werkstückträger (120) halten; und/oder mittels einem gesteuertem pneumatischem Überdruck (p++) die einzelnen Anoden-Lagen (AL) und die einzelnen Kathoden-Lagen (KL) in der Stapelposition abzugeben um die Lagen (AL, KL) auf dem Werkstückträger (120) zu stapeln.
Die Stapeleinheit nach Anspruch 1 oder 2, wobei - die erste Hubeinrichtung (135) vorgesehen und dazu eingerichtet ist, den Werkstückträger (120) beim Stapeln der einzelnen Anoden-Lagen (AL) und einzelnen Kathoden-Lagen (KL) um eine Wegstrecke abzusenken, die einer Dicke einer einzelnen Anoden-Lage (AL) oder einer einzelnen Kathoden-Lage (KL) im Wesentlichen entspricht.
Die Stapeleinheit nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei - im Fall von zwei einer Stapelstelle (133) zugeordneten Stapelvorrichtungen (138) eine erste der Stapelvorrichtungen (138) vorgesehen und dazu eingerichtet sind, nur einzelne der Anoden-Lagen (AL) zu der Stapelstelle (133) heranzutransportieren, und eine zweite der Stapelvorrichtungen (138) vorgesehen und dazu eingerichtet sind, nur einzelne der Kathoden-Lagen (KL) zu der Stapelstelle (133) heranzutransportieren.
Die Stapeleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - jede der Stapelvorrichtungen (138) eine Anlage (141) für die einzelnen Lagen (AL, KL) aufweist, die - wenigstens eine Unter-/Überdruck-Öffnung (143) oder eine poröse Unter-/Überdruck-Fläche aufweist, woran die einzelnen Lagen (AL, KL) während des Transports zu der Stapelposition halten; und/oder - Vertiefungen (147) aufweist, die vorgesehen und dimensioniert sind zum Aufnehmen der wenigstens zwei Klemmfinger (410, 420), vor dem Stapeln der einzelnen Lagen (AL, KL) auf dem Werkstückträger (120), und zum Freigeben der wenigstens zwei Klemmfinger (410, 420) in Richtung des Elektroden-Stapels (ES), um die jeweils oberste der Anoden- und Kathoden-Lagen (AL, KL) stets gegen den Elektroden-Stapel (ES) zu drängen.
Die Stapeleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - jede der Stapelvorrichtungen (138) vorgesehen und dazu eingerichtet ist, gesteuert in einen Abstand über dem Elektroden-Stapel (ES) in die Stapelposition zu bringen ist, der der Dicke weniger der einzelnen Anoden-Lagen (AL) oder der einzelnen Kathoden-Lagen (KL), zum Beispiel etwa 0.2 - 5 Lagen, entspricht, um von dort die einzelnen Anoden-Lagen (AL) und die einzelnen Kathoden-Lagen (KL) durch Abschalten eines pneumatischem Unterdrucks, und/oder Aufbauen eines pneumatischem Überdrucks, und/oder Absenken wenigstens eines der wenigstens zwei Klemmfinger (410, 420) abzugeben, um die Lagen (AL, KL) stets gegen den Elektroden-Stapel (ES) auf dem Werkstückträger (120) zu drängen.
Die Stapeleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die wenigstens zwei Klemmfinger (410, 420) vorgesehen und dazu eingerichtet sind, die einzelnen Lagen (AL, KL) abwechselnd auf den Werkstückträger (120) zu drängen und festzuklemmen; und/oder - die Klemmfinger (410, 420) einer Gruppe erster Klemmfinger (410) und einer Gruppe zweiter Klemmfinger (420) zugeordnet, vorgesehen und dazu eingerichtet sind, gruppenweise von einer oder zwei Seiten der Anoden- und Kathoden-Lagen (AL, KL) die jeweils oberste der Anoden- und Kathoden-Lagen (AL, KL) gegen den Elektroden-Stapel (ES) zu drängen; und/oder - jede der Gruppe erster Klemmfinger (410) und der Gruppe zweiter Klemmfinger (420) auf zwei gegenüberliegende Seiten jeder Stapelstelle (133) in jeweils mindestens zwei Klemmfinger aufgeteilt ist, wobei auf derselben Seite der Stapelstelle (133) befindliche Klemmfinger einer Gruppe einen gemeinsamen Antrieb (159) aufweisen.
Die Stapeleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - jede der Stapelvorrichtungen (138) vorgesehen und dazu eingerichtet ist, gesteuert in einen Abstand über dem Elektroden-Stapel (ES) auf dem Werkstückträger (120) in die Stapelposition zu bringen ist, wobei der Abstand (a) der Dicke einer oder einiger einzelnen Anoden-Lagen (AL) oder Kathoden-Lagen (KL), zum Beispiel etwa 0.2 - 5 Lagen, entspricht, um von dort durch Absenken wenigstens eines der Klemmfinger (410, 420) die einzelnen Anoden- und Kathoden-Lagen (AL, KL) auf dem Werkstückträger (120) zu stapeln.
Die Stapeleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - an jeder Stapelstelle (133) eine Aufnahme (137) vorgesehen und dazu eingerichtet ist, wenigstens einen leeren Werkstückträger (120) zu empfangen und in wenigstens einer Richtung positionsgenau aufzunehmen, wobei - jeder Werkstückträger (120) eine Oberseite hat, an der eine oder mehrere Klemmen (122) angeordnet und dazu eingerichtet sind, auf der Oberseite des Werkstückträgers (120) befindliche Elektroden-Stapel (ES) während des Transports zur nächsten Prozess-Station einzuklemmen, und/oder - jede Klemme (122) einen Klemmbacken (124) hat, der dazu eingerichtet ist, in einer ersten Position auf dem Elektroden-Stapel (ES) zu lasten, und in einer zweiten Position einen Ablageraum (126) für den Elektroden-Stapel (ES) auf dem Werkstückträger (120) freizugeben, und/oder - jede Klemme (122) eine Federeinrichtung (128) aufweist, die dazu eingerichtet ist, den Klemmbacken (124) in die erste Position auf dem Elektroden-Stapel (ES) zu drängen, und eine Press-Stelle (127) aufweist, die dazu eingerichtet ist, eine Krafteinleitung des Aktors in der Stapeleinheit aufzunehmen, wobei die eingeleitete Kraft gegen die Federeinrichtung (128) gerichtet ist und ein Freigeben des Ablageraums (126) durch den Klemmbacken (124) bewirkt.
Ein Verfahren zur Herstellung von Modulen oder Vorstufen von Modulen, insbesondere von Lagenmaterial enthaltenden Brennstoff- oder Batterie-Zellen, wobei - an wenigstens einer Stapelstelle eine Aufnahme von einer zentralen Transportstrecke wenigstens einen leeren Werkstückträger empfängt; - eine erste Hubeinrichtung mittels der Aufnahme den wenigstens einen leeren Werkstückträger von der zentralen Transportstrecke entnimmt und diesen nach einem Befüllen auf die zentrale Transportstrecke zum Fördern zu einer nachfolgenden Prozess-Station zurückgibt; - eine oder mehrere Stapelvorrichtungen einzelne Anoden-Lagen und einzelne Kathoden-Lagen zum Bilden eines Elektroden-Stapels abwechselnd zu der Stapelstelle herantransportieren und auf dem an der Stapelstelle befindlichen Werkstückträger stapeln; - wenigstens ein erster und wenigstens ein zweiter Klemmfinger mit der jeweils obersten der Anoden- und Kathoden-Lagen in Eingriff kommen und diese gegen den Elektroden-Stapel drängen.