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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stapelvorrichtung zum Stapeln von Dünnschichtelementen, insbesondere zum Stapeln von plattenförmigen Membran-Elektrodeneinheiten (MEA) und Bipolarplatten (BPP) einer Brennstoffzelle, gemäß Anspruch 1. Ferner umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Stapeln von Dünnschichtelementen mit einer erfindungsgemäßen Stapelvorrichtung gemäß Anspruch 12.
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Stapelvorrichtungen sind hinreichend bekannt. Mit ihnen werden Dünnschichtelemente, wie beispielsweise Komponenten einer Brennstoffzelle, automatisiert gestapelt.
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In diesem Zusammenhang sind einige Herausforderungen im Zusammenhang mit Stapelvorrichtungen bekannt geworden. Eine steigende Nachfrage an Brennstoffzellen für stationären Betrieb und Mobilität erfordert eine höhere Stückzahl und damit eine schnellere Fertigung und Montage von Stacks. Für eine signifikante Ausbringungssteigerung einer Maschine sollte die Taktzeit für ein einzelnes Dünnschichtelement deutlich verringert werden. Die geringe Taktzeit erfordert ein Aufteilen der einzelnen Fertigungs- und Montageprozesse. Ein wichtiger Montageprozess ist das Stapeln der einzelnen Dünnschichtelemente. Für die Funktion des Stacks sollten die Elemente mit hoher Positionsgenauigkeit zueinander gestapelt werden. Durch die unterschiedliche Beschaffenheit (Steifigkeit) der Dünschichtelemente, insbesondere plattenförmigen Membran-Elektrodeneinheiten (MEA) und der Bipolarplatten (BPP) ergeben sich unterschiedliche Eigenschaften hinsichtlich des Handlings.
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Es ist beispielsweise aus der
DE 10 2015 218 117 A1 eine Vorrichtung zum schnellen Stapeln eines Brennstoffzellenstapels bekannt geworden, die einen Brennstoffzellenstapel durch Stapeln und Druckbeaufschlagen einer Trennplattenkomponente, in der eine negative Elektrodenmetall-Trennplatte und eine positive Elektrodenmetall-Trennplatte miteinander verbunden sind, und einer Membranelektrodenanordnungs-(MEA)Bogenkomponente, in der Gasdiffusionsschichten mit beiden Oberflächen einer MEA verbunden sind, wobei die Vorrichtung eine Komponenten-Ausrichteeinheit aufweist, die mit einem Fertigstellungsende eines Komponentenüberführungsweges einer Fördervorrichtung verbunden ist, um die Trennplattenkomponente und die MEA-Bogenkomponente, die durch die Fördervorrichtung überführt werden, auf vorgegebene Positionen auszurichten. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Komponenten-Stapeleinheit, die an der Seite der Komponenten-Ausrichteeinheit angebracht ist und eingerichtet ist, um die Trennplattenkomponente und die MEA-Bogenkomponente zu greifen und die Komponenten auf einer Stapelführung zu stapeln. Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung eine Komponenten-Druckbeaufschlagungseinheit, die an einer oberen Seite eines Überführungsweges angebracht ist, durch welchen die Stapelführung überführt wird, und eingerichtet ist, um die auf der Stapelführung gestapelte Trennplattenkomponente und MEA-Bogenkomponente mit Druck zu beaufschlagen.
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Wenngleich bereits geeignete Stapelvorrichtungen bekannt sind, so soll, um eine höchstmögliche Wirtschaftlichkeit einer Brennstoffzellen Stapelmaschine zu erreichen, die Taktzeit zum Aufstapeln möglichst kurz sein.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine verbesserte Stapelvorrichtung bereitzustellen, insbesondere soll eine Stapelvorrichtung für Komponenten einer Brennstoffzelle vorgeschlagen werden, die eine möglichst kurze Taktzeit aufweist. Insbesondere soll die Stapelvorrichtung dazu eingerichtet sein, Elemente in hoher Stückzahl und hoher Positioniergenauigkeit übereinander zu positionieren.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Stapelvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Hierzu ist vorgesehen, dass die Stapelvorrichtung einen Dünnschichtelementträger, eine erste Ausrichteeinheit und eine zweite Ausrichteeinheit, eine Fixiereinheit, eine Andrückeinheit, eine erste Montageeinheit und eine zweite Montageeinheit, sowie einen Downstacker mit einem Stapelwerkstückträger umfasst, wobei die Montageeinheiten stabförmige Kulissenelemente und Aufnahmen für die Dünnschichtelemente aufweisen, wobei die Ausrichteeinheiten jeweils Führungsprofile aufweisen.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht ein Aufstapeln von den Komponenten der Brennstoffzelle unter Einhaltung der geforderten Qualitätsparameter mit sehr hoher Geschwindigkeit.
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Die erste Montageeinheit, die zweite Montageeinheit und die Andrückeinheit sind dazu eingerichtet mit gleicher Geschwindigkeit nach unten bewegt zu werden, wobei der Kontakt zwischen der ersten Montageeinheit, der zweiten Montageeinheit und der Andrückeinheit nicht gelöst wird, wobei die stabförmigen Kulissenelemente der Montageeinheiten dazu eingerichtet sind, die beidseitig parallel unter dem jeweiligen Dünnschichtelement befindlichen Aufnahmen seitlich zu verschieben, wodurch jeweils das auf der Aufnahme liegende Dünnschichtelement separat nach unten auf den Downstacker freigegeben wird, wobei die Führungsprofile der Ausrichteeinheiten dazu eingerichtet sind, die Dünnschichtelemente zueinander auszurichten, wobei die Führungsprofile ferner dazu eingerichtet sind, die Dünnschichtelemente während des Fallens auszurichten, wobei der Downstacker dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit der Anzahl der Dünnschichtelemente in Fallrichtung abzusinken, so dass die Fallhöhe der einzelnen Dünnschichtelemente annähernd gleich bleibt, vorzugsweise gleich bleibt, wobei die Andrückeinheit dazu eingerichtet ist, das letzte zu stapelnde Dünnschichtelement und damit dem Abstand zwischen der ersten und zweiten Montageeinheit in vorbestimmter Position zu halten.
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Durch das Zusammenspiel der oben genannten Komponenten wird eine hohe Stapelgeschwindigkeit der Dünnschichtelemente erreicht. Falls nicht die gesamte Anzahl der zu stapelnden Dünnschichtelemente durch einen Dünnschichtelementträger bereitgestellt werden kann, kann ein neuer befüllter Dünnschichtelementträger bereitgestellt und der Montagevorgang wird bis zur vorgesehenen Stapelhöhe fortgesetzt.
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Die vorgeschlagene Stapelvorrichtung zeichnet sich insbesondere durch nachfolgende Vorteile bzw. Merkmale aus. Die Grundidee ist es eine Stapelvorrichtung bereitzustellen, die die einzelnen Dünnschichtelemente in einer hohen Geschwindigkeit zu einem Stapel verarbeitet. Die einzelnen Elemente in dem Stapel sollen nach dem Stapeln eine hohe Positionstoleranz zueinander aufweisen. Die Elemente befinden sich vorzugsweise in einer ähnlich einem Kamm ausgeführter Kassette. Diese wird im folgendem Dünnschichtelementträger benannt und dient zur Aufnahme einer Mehrzahl von Dünnschichtelementen. Die plattenförmigen Membran-Elektrodeneinheiten und die Bipolarplatten sind vorzugsweise bereits in der Art vormontiert, dass sie in der Kassette jeweils übereinander liegen. Ein separater Transport der plattenförmigen Membran-Elektrodeneinheiten und der Bipolarplatten in einem separaten Dünnschichtelementträger und eine Vereinigung dieser in der Stapeleinheit ist ebenfalls vorzugsweise vorgesehen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorgeschlagenen Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Merkmalen der Unteransprüche. Die Gegenstände bzw. Merkmale der verschiedenen Ansprüche können grundsätzlich beliebig miteinander kombiniert werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Dünnschichtelementträger einen Grundkörper, Greifpunkte für einen geeigneten Zubringer, insbesondere Roboterarm, Linearachse, o.ä., Aufnahmeelemente, insbesondere kammartig angeordnete Stäbe, die zur Auflage von Dünnschichtelementen eingerichtet sind, Ausricht- und Halteeinheiten für Dünnschichtelemente, die mit Federn während des Transports in einer Grundstellung gehalten werden, umfasst. Ein derart ausgestalteter Dünnschichtelementträger ist vorteilhafterweise zur geeigneten Positionierung der Dünnschichtelemente geeignet. Zudem wird durch die Ausricht- und Halteeinheiten ein Positionsverlust der Dünnschichtelemente während des Transportes vermieden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Ausrichteeinheit ein Ausricht- und Führungsprofil für Dünnschichtelemente einen Schlitten X-Achse, sowie einen Schlitten Z-Achse umfasst, wobei das Führungsprofil der Ausrichteeinheit zum Ausrichten der Dünnschichtelemente eingerichtet ist. Durch die Schlitten kann die Ausrichteeinheit in eine Ausrichtposition für die Dünnschichtelemente gefahren werden. Ferner sind die Schlitten in Grundstellung derart angeordnet, dass der Dünnschichtelementträger in eine Übergabeposition gebracht werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Fixiereinheit einen Schlitten Z-Achse mit Fixierdornen zum Fixieren bzw. Ausrichten des Stapelwerkstückträgers des Downstacker umfasst, wobei der Stapelwerkstückträger mit Buchsen ausgestattet ist, wobei die Fixierdorne und die Buchsen zur Positionierung von Fixiereinheit und Stapelwerkstückträger eingerichtet sind. Hierdurch kann vorteilhafterweise sichergestellt werden, dass die Fixiereinheit zusammen mit der ersten und zweiten Ausrichteeinheit und dem Stapelwerkstückträger in einer für das Stapeln vorteilhaften Position zueinander ausgerichtet sind.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Fixiereinheit Ausrichtkanten und Führungsprofile zum Vorausrichten der Dünnschichtelemente, sowie Führungsecken zum exakten finalen Ausrichten der Dünnschichtelemente umfasst.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Andrückeinheit einen Schlitten Z-Achse, sowie ein Andrückwerkzeug, vorzugsweise eine Platte, mit Kontakt zum Dünnschichtelement, umfasst. Hierdurch können die gestapelten Dünnschichtelemente auf ein für den Stapel geeignetes Maß zusammengepresst werden. Zudem kann sichergestellt werden, dass das obere bzw. letzte Dünnschichtelement ebenfalls auf den Stapel aufgesetzt wird und nicht verkantet bzw. korrekt abgelegt wird.
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Erfindungsgemäß ist ferner vorgesehen, dass die erste Montageeinheit und die zweite Montageeinheit jeweils einen Schlitten Z-Achse, auf dem Schlitten in Z-Richtung angeordnete Aufnahmen für die von dem Dünnschichtelementträger zugeführten Dünnschichtelemente umfasst, wobei die Aufnahmen eine zur Aufnahme der Dünnschichtelemente geeignete erste Position und eine zur Freigabe der Dünnschichtelemente geeignete zweite Position einnehmen können, wobei die stabförmigen Kulissenelemente dazu eingerichtet sind, beim Absenken der Montageeinheit in Z-Richtung die Aufnahmen in eine zweite Position zu bewegen. Hierdurch kann vorteilhafterweise gewährleistet werden, dass die in den Aufnahmen aufgenommenen Dünnschichtelemente einzeln, immer in der gleichen oder ähnlichen Höhe gegenüber dem Stapelwerkstückträger des Downstackers freigegeben werden. Es soll insbesondere sichergestellt werden, dass die Fallhöhe der einzelnen Dünnschichtelemente von der Aufnahme auf den Stapelwerkstückträger möglichst gering ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Aufnahmen Gleitsteine aufweisen, die mit den Kulissenelementen in Kontakt treten können, wobei die Aufnahmen ferner mit Federn ausgestattet sind, die dazu eingerichtet sind, die Aufnahmen in die erste Position zu bewegen. Durch die Gleitsteine kann ein definierter Kontakt zu den Kulissenelementen hergestellt werden, so dass eine nahezu reibungslose Bewegung von Aufnahmen und Kulissenelement gewährleistet ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Montageeinheiten einen Schlitten Y-Achse umfassen. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass die Montageeinheiten wahlweise aus einem Störbereich herausgefahren bzw. in eine notwendige Position eingefahren werden können.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Downstacker eine in Z-Richtung verfahrbare Bauteilaufnahme zur Aufnahme von Dünnschichtelementen, montiert auf einem Stapelwerkstückträger, einen Antrieb zum Positionieren der Bauteilaufnahme, sowie eine lösbare Kupplung zum Ankoppeln des Antriebs an die Bauteilaufnahme des Stapelwerkstückträgers umfasst. Durch einen derart ausgestalteten Downstacker kann sichergestellt werden, dass die Stapelhöhe und die Fallhöhe der Dünnschichtelemente gleich oder weitgehend gleichbleibt, da der Downstacker beispielsweise um die Dicke des neu aufgestapelten Dünnschichtelementes, welches aus der Aufnahme der Montageeinheiten fällt, nach unten, also in Z-Richtung, verfahren werden kann.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin ein vorteilhaftes Verfahren zum Stapeln von Dünnschichtelementen mit einer erfindungsgemäßen Stapelvorrichtung vorzuschlagen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 12 gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorgeschlagenen Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Merkmalen der Unteransprüche. Die Gegenstände bzw. Merkmale der verschiedenen Ansprüche können grundsätzlich beliebig miteinander kombiniert werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen
- 1 eine Brennstoffzelle in einer perspektivischen Darstellung als Beispiel eines Werkstücks;
- 1a eine Detaildarstellung von Dünnschichtelementen, insbesondere Bipolarplatten (BPP) und Membran-Elektrodeneinheit (MEA), einer Brennstoffzelle gemäß 1;
- 2 eine perspektivische Darstellung einer Stapelvorrichtung;
- 2a eine perspektivische Darstellung einer Stapelvorrichtung;
- 3 eine perspektivische Darstellung eines Dünnschichtelementträgers;
- 3a eine Detaildarstellung eines Dünnschichtelementträgers;
- 3b ein Dünnschichtelementträger in einer Draufsicht;
- 3c ein Dünnschichtelementträger in einer Draufsicht;
- 4 eine Ausrichteeinheit in einer perspektivischen Darstellung;
- 4a eine Ausrichteeinheit in einer Ansicht von Oben;
- 5 eine Fixiereinheit in einer perspektivischen Darstellung;
- 5a eine Fixiereinheit in einer Ansicht von Oben;
- 6 eine Andrückeinheit in einer perspektivischen Darstellung;
- 6a eine Andrückeinheit in einer perspektivischen Darstellung;
- 7 eine erste Montageeinheit in einer perspektivischen Darstellung;
- 7a eine erste Montageeinheit in einer perspektivischen Darstellung;
- 7b eine erste Montageeinheit in einer Draufsicht;
- 7c eine erste Montageeinheit in einer Ansicht von Oben;
- 7d eine Detaildarstellung einer ersten Montageeinheit;
- 7e eine Detaildarstellung einer ersten Montageeinheit und einer zweiten Montageeinheit;
- 8 ein Downstacker in einer perspektivischen Darstellung;
- 8a ein Downstacker in einer Ansicht von Oben;
- 9 eine Stapelvorrichtung in einer Seitendarstellung in einem ersten Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt;
- 9a eine Stapelvorrichtung in einer Ansicht von Oben in einem ersten Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt;
- 10 eine Stapelvorrichtung in einer Schnittdarstellung in einem zweiten Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt;
- 10a eine Stapelvorrichtung in einer Ansicht von Oben in einem zweiten Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt;
- 10b ein Detail einer Stapelvorrichtung in einem zweiten Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt;
- 11 eine Stapelvorrichtung in einer Schnittdarstellung in einem dritten Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt;
- 11a eine Stapelvorrichtung in einer Ansicht von Oben in einem dritten Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt;
- 11b ein Detail einer Stapelvorrichtung in einem dritten Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt;
- 12 eine Stapelvorrichtung in einer Schnittdarstellung in einem vierten Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt;
- 12a eine Stapelvorrichtung in einer Ansicht von Oben in einem vierten Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt;
- 12b ein Detail einer Stapelvorrichtung in einem vierten Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt;
- 13 eine Stapelvorrichtung in einer Schnittdarstellung in einem fünften Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt;
- 15a eine Stapelvorrichtung in einer Ansicht von Oben in einem fünften Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt;
- 13b ein Detail einer Stapelvorrichtung in einem fünften Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt;
- 14 eine Stapelvorrichtung in einer Schnittdarstellung in einem sechsten Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt;
- 14a eine Stapelvorrichtung in einer Ansicht von Oben in einem sechsten Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt;
- 15 eine Stapelvorrichtung in einer Schnittdarstellung in einem siebten Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt;
- 15a eine Stapelvorrichtung in einer Ansicht von Oben in einem siebten Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt;
- 15b ein Detail einer Stapelvorrichtung in einem siebten Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt;
- 16 eine Stapelvorrichtung in einer Schnittdarstellung in einem achten Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt;
- 16a eine Stapelvorrichtung in einer Ansicht von Oben in einem achten Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt;
- 16b ein Detail einer Stapelvorrichtung in einem achten Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt;
- 17a ein Detail einer Stapelvorrichtung in einem neunten Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt;
- 17b ein Detail einer Stapelvorrichtung in einem neunten Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt;
- 17c ein Detail einer Stapelvorrichtung in einem neunten Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt;
- 18 eine Stapelvorrichtung in einer Schnittdarstellung in einem zehnten Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt;
- 18a eine Stapelvorrichtung in einer Ansicht von Oben in einem zehnten Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt;
- 18b ein Detail einer Stapelvorrichtung in einem neunten Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt;
- 19 eine alternative Ausführungsform eines Dünnschichtelementträgers.
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Folgende Bezugszeichen werden in den Abbildungen verwendet:
- BPP
- Bipolarplatte
- MEA
- Membran-Elektrodeneinheit
- OD
- Obere Deckplatte
- UD
- Untere Deckplatte
- 1
- Dünnschichtelementträger
- 1a
- (zweiter) Dünnschichtelementträger
- 2
- (erste) Ausrichteeinheit
- 2a
- (zweite) Ausrichteeinheit
- 3
- Fixiereinheit
- 4
- Andrückeinheit
- 5
- (erste) Montageeinheit
- 5a
- (zweite) Montageeinheit
- 6
- Downstacker
- 11
- Grundkörper
- 12
- Greifpunkt
- 13
- Aufnahmeelement
- 14
- Ausrichte- und Halteeinheit
- 15
- Kupplung für Werkstückträger
- 21
- Ausricht- und Führungsprofil
- 22
- Schlitten X-Achse
- 23
- Schlitten Z-Achse
- 31
- Schlitten Z-Achse
- 32
- Ausrichtkante
- 33
- Führungsecke
- 41
- Schlitten Z-Achse
- 42
- Andrückwerkzeug
- 51
- Schlitten Z-Achse
- 52
- Schlitten Y-Achse
- 53
- Aufnahme
- 54
- Gleitstein
- 55
- Gleitführung Y-Richtung
- 56
- Feder
- 57
- stabförmiges Kulissenelement
- 61
- lösbare Kupplung für Bauteilaufnahme
- 62
- Schlitten in Z-Richtung mit Bauteilaufnahme zur Aufnahme von Dünnschichtelementen
- 63
- Stapelwerkstückträger
- 64
- Antrieb
- 65
- Schlitten Z-Achse für Kupplung
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Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit einem Verfahren beschrieben sind selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann. Außerdem kann ein ggf. beschriebenes erfindungsgemäßes Verfahren mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt werden.
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Die hierin verwendete Terminologie dient nur zum Zweck des Beschreibens bestimmter Ausführungsformen und soll die Offenbarung nicht beschränken. Wie hierin verwendet, sollen die Singularformen „ein/eine“ und „der/die/das“ auch die Pluralformen enthalten, sofern der Kontext dies nicht anderweitig klar erkennen lässt. Es wird zudem klar sein, dass die Ausdrücke „weist auf“ und/oder „aufweisend“, wenn in dieser Beschreibung verwendet, das Vorhandensein der genannten Merkmale, ganzen Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Bauteile spezifizieren, aber nicht das Vorhandensein oder den Zusatz von einem/einer oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Bauteilen und/oder Gruppen derselben ausschließen. Wie hierin verwendet, enthält der Ausdruck „und/oder“ jedes beliebige und alle Kombinationen von einem oder mehreren der assoziierten, aufgelisteten Elemente.
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Zunächst wird auf 1 Bezug genommen. Nachfolgend wird ein kartesisches Koordinatensystem, umfassend eine X-, Y,- und Z-Achse zur Orientierung bzw. Beschreibung räumlicher Zusammenhänge verwendet. Ferner wird die Positionsangabe „oben“ und „unten“ im Zusammenhang mit einer üblichen Aufstellsituation der Stapelvorrichtung verwendet. Die Anordnung des Koordinatensystems ist beispielhaft in 9a dargestellt.
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In den 1 und 1a ist beispielshaft ein Brennstoffzellenstapel dargestellt.
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Ein Brennstoffzellenstapel (Stack) besteht, vereinfacht beschrieben, aus mehrehren aufeinander gestapelten Brennstoffzellen und einer oberen und einer unteren Deckplatte. Die Anzahl der Brennstoffzellen ist abhängig von der zu erbringenden Leistung der fertigen Zelle und kann beispielsweise 600 Teile. Die Höhe des Brennstoffzellenstapels kann beispielsweise 680 mm Höhe und mehr betragen. Die Brennstoffzelle als solches umfasst im Wesentlichen eine Bipolarplatte BPP und eine plattenförmige Membran-Elektrodeneinheiten MEA.
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Bei den Bipolarplatten BPP bzw. plattenförmigen Membran-Elektrodeneinheiten MEA handelt es sich um Dünnschichtelemente, die mittels der erfindungsgemäßen Stapelvorrichtung gestapelt werden sollen. Das Stapeln von plattenförmigen Bipolarplatten bzw. plattenförmigen Membran-Elektrodeneinheiten stellt dementsprechend einen bevorzugten Anwendungsfall der vorgeschlagenen Stapelvorrichtung dar.
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Ferner ist in der 1 bzw. 1a dargestellt, dass die Bipolarplatten BPP und die plattenförmigen Membran-Elektrodeneinheiten MEA zwischen einer oberen Deckplatte OD und einer unteren Deckplatte UD angeordnet sind.
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Nachfolgend wird zunächst auf die 2 und 2a eingegangen.
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Eine erfindungsgemäße Stapelvorrichtung umfasst im Wesentlichen einen Dünnschichtelementträger 1, eine erste Ausrichteeinheit 2, eine zweite Ausrichteeinheit 2a, eine Fixiereinheit 3, eine Andrückeinheit 4, eine erste Montageeinheit 5, eine zweite Montageeinheit 5a, sowie einen Downstacker 6. Ferner ist vorgesehen, dass die Montageeinheiten jeweils stabförmige Kulissenelemente 57 und Aufnahmen 53 für die Dünnschichtelemente aufweisen.
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Die einzelnen Komponenten werden nachfolgend detaillierter beschrieben werden.
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Grundsätzlich ist vorgesehen, dass sich die Stapelvorrichtung in Z-Richtung in die Höhe erstreckt.
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Ein Dünnschichtelementträger 1 ist insbesondere in den 3 - 3c dargestellt.
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Ein Dünnschichtelementträger 1 umfasst im Wesentlichen einen Grundkörper 11, sowie Greifpunkte 12 für einen geeigneten Zubringer, insbesondere einen Robotergreifer (nicht dargestellt). Ferner umfasst der Dünnschichtelementträger bevorzugt Elemente zur Aufnahme und Transport auf einem externen Werkstückträger (nicht dargestellt) durch eine Kupplung 15.
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In der 3a ist insbesondere dargestellt, dass Dünnschichtelemente, vorzugsweise die Bipolarplatte und drauf die Membran Elektroden Einheit, auf Aufnahmeelementen 13, insbesondere kammartig angeordneten Stäben, liegen. Die Aufnahmeelemente 13 sind insbesondere bauteilschonend ausgeführt.
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Ferner umfasst der Dünnschichtelementträger Ausricht- und Halteeinheiten 14 für Dünnschichtelemente. Die Ausricht- und Halteeinheiten 14 können mit Federn während des Transports in Grundstellung gehalten wird. Ferner können Ausricht- und Halteeinheiten 14 durch einen externen Antrieb (nicht dargestellt) ausgelöst werden, insbesondere bei der Übergabe der Dünnschichtelemente aus dem Dünnschichtelementträger an die Montageeinheiten und bei der Übernahme von externen Vorrichtungen. Diese Einzelheiten sind insbesondere in den 3b und 3c erkennbar.
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In den 4 und 4a ist eine Ausrichteeinheit 2 dargestellt. Die Merkmale von erster und zweiter Ausrichteeinheit 2a sind im Wesentlichen identisch, so dass hierauf analog verwiesen werden kann.
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Eine Ausrichteeinheit 2 bzw. 2a umfasst im Wesentlichen ein Ausricht- und Führungsprofil 21 für Dünnschichtelemente, ein Schlitten X-Achse 22 sowie einen Schlitten Z-Achse 23.
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Ein „Schlitten X-Achse“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass sich der Schlitten in X-Richtung verfahren lässt. Ein Schlitten Z-Achse bedeutet in diesem Zusammenhang entsprechend, dass sich der Schlitten in Z-Richtung verfahren lässt.
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In den 5 und 5a ist eine Fixiereinheit 3 dargestellt.
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Die Fixiereinheit 3 umfasst im Wesentlichen einen Schlitten Z-Achse 31 mit Fixierdornen (nicht dargestellt) zum Fixieren bzw. Ausrichten des Stapelwerkstückträgers 63 des Downstackers 6. Hierzu kann der Stapelwerkstückträger 63 beispielsweise mit Buchsen (nicht dargestellt) ausgestattet sein, die zum Eintauchen der Fixierdorne eingerichtet sind. Entsprechend wirkt die Kombination aus Fixerdorn und Buchse wie ein Positioniermittel, d.h. die hieran angeschlossenen Komponenten werden in eine vorbestimmte Position zueinander ausgerichtet.
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Ferner umfasst die Fixiereinheit 3 Ausrichtkanten 32 zum Vorausrichten der Dünnschichtelemente BPP, MEA, insbesondere während des Fallens im Prozess der Freigabe. Die Ausrichtung erfolgt vorzugsweise an den Außenkanten.
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Ferner umfasst die Fixiereinheit 3 Führungsecken 33 zum exakten finalen Ausrichten der Dünnschichtelemente MEA, BPP. Die Ausrichtung erfolgt vorzugsweise an den dafür vorgesehenen exakt gefertigten Konturen der Führungsecken der Dünnschichtelemente 33 kurz vor dem Ablegen der Elemente.
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In den 6 und 6a ist eine Andrückeinheit 4 dargestellt.
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Die Andrückeinheit 4 umfasst im Wesentlichen einen Schlitten Z-Achse 41, sowie ein Andrückwerkzeug 42. Das Andrückwerkzeug 42 umfasst vorzugsweise eine Platte, die in Kontakt mit dem oberen Dünnschichtelement MEA, BPP treten kann.
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In den 7 bis 7d ist eine Montageeinheit 5, in der 7e eine erste Montageeinheit 5 sowie eine zweite Montageeinheit 5a dargestellt. Die Merkmale von erster und zweiter Montageeinheit sind im Wesentlichen identisch, so dass hierauf analog verwiesen werden kann.
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Es ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Montageeinheit 5 bzw. 5a jeweils einen Schlitten Z-Achse 51, zwei stabförmige Kulissenelemente 57, sowie in Z-Richtung angeordnete Aufnahmen 53 für die von dem Dünnschichtelementträger 1 zugeführten Dünnschichtelemente umfasst. Die Aufnahmen 53 sind insbesondere dazu eingerichtet eine zur Aufnahme der Dünnschichtelemente geeignete erste Position und eine zur Freigabe der Dünnschichtelemente geeignete zweite Position einnehmen können, wobei die Kulissenelemente 57 dazu eingerichtet sind, beim Absenken der Montageeinheit 5 bzw. 5a in Z-Richtung die Aufnahmen 53 in eine zweite Position in Y-Richtung zu überführen.
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Es ist ferner vorzugsweise vorgesehen, dass die Aufnahmen Gleitsteine 54 aufweisen, die bei Bewegung in Z-Richtung mit den Kulissenelementen 57 in Kontakt treten können, wobei die Aufnahmen 53 ferner mit Federn 56 ausgestattet sind, die dazu eingerichtet sind, die Aufnahmen 53 in die erste Position zu bewegen bzw. zu halten.
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Es ist ferner vorzugsweise vorgesehen, dass die erste Montageeinheit 5 bzw. die zweite Montageeinheit 5a jeweils einen Schlitten Y-Achse 52 umfassen.
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Ferner umfasst die Montageeinheit 5 Gleitführungen 55 in Y-Richtung für die Aufnahmen 53.
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In der 7e sind Abschnitte der ersten Montageeinheit 5 und der zweiten Montageeinheit 5a nebeneinander dargestellt.
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In den 8 und 8a ist ein Downstacker 6 dargestellt.
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Der Downstacker 6 umfasst im Wesentlichen eine in Z-Richtung verfahrbare Bauteilaufnahme 62 zur Aufnahme von Dünnschichtelementen MEA, BPP, montiert auf einem Stapelwerkstückträger 63, einen Antrieb 64 zum Positionieren der Bauteilaufnahme 62, sowie eine lösbare Kupplung 61 zum Ankoppeln des Antriebs 64 an die Bauteilaufnahme 62 des Stapelwerkstückträgers 63.
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Die Kupplungen 61 sind vorzugsweise am Schlitten 65 montiert und werden bei Bedarf am Antrieb 64 in Z-Richtung bewegt.
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Wie bereits oben dargestellt, ist der Stapelwerkstückträger 63 des Downstackers 6 vorzugsweise mit Buchsen (nicht dargestellt) ausgestattet, die mit den Fixierdornen (nicht dargestellt) der Fixiereinheit 3 in Kontakt treten können bzw. in die Fixierdorne eintauchen können. Hierdurch lässt sich eine Positioniereinrichtung realisieren.
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Das erfindungsgemäße Verfahren soll nachfolgend anhand der 9 bis 17b näher erläutert werden. Es versteht sich, dass hier nur einige ausgewählte Verfahrensschritte dargestellt sind, wie sie für das Verständnis des erfindungsgemäßen Verfahrens hilfreich sind. Das Verfahren kann weitere, dem Fachmann bekannte, Schritte bzw. Zwischenschritte umfassen.
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In den 9 und 9a ist die Stapelvorrichtung in einem ersten Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt dargestellt, der auch als Grundstellung angesprochen werden kann.
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Es ist insbesondere ersichtlich, dass der Stapelwerkstückträger 63 in die Stapelvorrichtung eingelaufen ist.
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Es ist in dem ersten Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt vorzugsweise vorgesehen, dass sich alle Einheiten der Stapelvorrichtung in einer Grundstellung befinden, die sich dadurch auszeichnet, dass sie außerhalb jeglichen Störbereiches angeordnet sind.
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Der Dünnschichtelementträger 1 ist mit einem geeigneten Greifer (nicht dargestellt) ebenfalls in Grundstellung vor der Stapelvorrichtung. Dieser Greifer ist an einer geeigneten, automatischen Zuführung, zum Beispiel einem Mehrachsroboter, montiert.
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In den 10 bis 10b ist die Stapelvorrichtung in einem zweiten Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt dargestellt.
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Der zweite Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass
- - der Dünnschichtelementträger 1 über eine Stapelposition verfahren wird,
- - die ersten Montageeinheit 5 und die zweite Montageeinheit 5a in eine Zwischenposition, kurz vor Übernahmeposition der Dünnschichtelemente, verfahren werden,
- - die Fixiereinheit 3 mit den Ausrichtkanten 32 und den Fixierdornen in Montageposition abgesenkt wird.
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Die Stapelposition zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der Downstacker 6 oben ist, bereit zum Start der Montage der Dünnschichtelemente, sowie dass sich der Dünnschichtelementträger 1 nicht in einem Störbereich für die Montage befindet.
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Dabei wird der Stapelwerkstückträger 63 zur Ausrichtkante 32 und den Führungsecken 33 der Fixiereinheit 3 exakt positioniert.
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In den 11 bis 11b ist die Stapelvorrichtung in einem dritten Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt dargestellt. Der dritte Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass
- - sich der Dünnschichtelementträger 1 zu einer für die Montage geeigneten Position in Richtung der Fixiereinheit 3 absenkt, sowie
- - die erste Montageeinheit 5 und die zweite Montageeinheit 5a in Z- Richtung nach oben in einer für die Übernahme der Dünnschichtelemente von dem Dünnschichtelementträger geeigneten Position kurz unter den Dünnschichtelementen angehoben werden.
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In den 12 bis 12b ist die Stapelvorrichtung in einem vierten Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt dargestellt. Der vierte Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass
- - die erste Montageeinheit 5 und die zweite Montageeinheit 5a in Y- Richtung unter die Dünnschichtelemente verfahren werden.
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In den 13 bis 13b ist die Stapelvorrichtung in einem fünften Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt dargestellt. Der fünfte Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass
- - die erste Montageeinheit 5 und die zweite Montageeinheit 5a in Z- Richtung nach oben verfahren wird, wobei
- - sich dabei die Dünnschichtelemente von den Aufnahmeelementen 13 des Dünnschichtelementträgers abheben, wobei
- - die Andrückeinheit 4 bis zum Kontakt mit dem Z-Schlitten 51 der ersten Montageeinheit 5 und der zweiten Montageeinheit 5a abgesenkt wird, wobei
- - die oberen Elemente der Montageeinheiten 5, 5a im Abstand durch die Andrückeinheit 4 fixiert werden, wobei
- - die Andrückeinheit 4 beim Absenken der Montageeinheiten 5, 5a ohne Kontaktverlust zu der ersten Montageeinheit 5 und der zweiten Montageeinheit 5a folgen kann.
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In den 14 bis 14a ist die Stapelvorrichtung in einem sechsten Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt dargestellt. Der sechste Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass
- - der Dünnschichtelementträger 1 geöffnet wird und die Ausricht- und Halteeinheiten 14 aus dem Störbereich der Ausrichteeinheiten 2, 2a gefahren werden, wobei
- - die Ausrichteeinheiten 2, 2a mit den Ausricht- und Führungsprofilen 21 anschließend abgesenkt werden.
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In den 15 bis 15b ist die Stapelvorrichtung in einem siebten Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt dargestellt. Der siebte Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass
- - die erste Ausrichteeinheit 2 und die zweite Ausrichteeinheit 2a in X-Richtung bis in geeignete Führungselemente der Dünnschichtelemente verfahren werden, wodurch die Dünnschichtelemente in X und Y-Richtung in Vorbereitung zur Montage mit einem für die Montage günstigen Freiheitsgrad ausgerichtet werden.
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In den 16 bis 16b ist die Stapelvorrichtung in einem achten Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt dargestellt. Der achte Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass
- - der Downstacker 6 in eine Montageposition nach oben verfahren wird, wobei insbesondere ein optimaler Montageabstand zwischen dem von unten ersten Dünnschichtelement und der Bauteilaufnahme (62) des Stapelwerkstückträger 63 des Downstackers 6 eingestellt wird,
- - die dynamische Montageposition des Downstackers 6 nach dem Start des Montageprozesses den Montageabstand während des Aufstapelns konstant hält.
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In den 17a bis 17c ist die Stapelvorrichtung in einer Abfolge von Teilschritten bzw. Vorrichtungszuständen dargestellt, die in einem neunten Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt enthalten sein sollen. Der neunte Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass
- - die Montageeinheiten 5, 5a und die Andrückeinheit 4 mit gleicher Geschwindigkeit nach unten bewegt werden, wobei vorzugsweise der Kontakt zwischen den Montageeinheiten 5 bzw.5a und der Andrückeinheit 4 nicht gelöst wird, wobei
- - durch die Kulissenelemente 57 der Montageeinheiten 5, 5a die Aufnahmen 53 beidseitig parallel unter dem jeweiligen Dünnschichtelement MEA, BPP seitlich weggezogen werden, wodurch jeweils ein Dünnschichtelement separat nach unten auf die Bauteilaufnahme (Z-Schlitten) 62 des Stapelwerkstückträger 63 des Downstackers 6 fallen kann, wobei
- - die Bauteilaufnahme 62 sich in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der Montageeinheiten 5, 5a in einer anderen langsameren Geschwindigkeit in die gleiche Richtung bewegt, wobei ein für die Montage der Dünnschichtelemente optimaler, vorzugsweise konstanter, Abstand zwischen der Bauteilaufnahme 62 und dem untersten von den Aufnahmen 53 getrennten Dünnschichtelement MEA, BPP eingehalten wird.
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Durch die Ausrichte- und Führungsprofile 21 der Ausrichteeinheiten 2, 2a sind die Dünnschichtelemente relativ genau vorausgerichtet.
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Der neunte Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt zeichnet sich insbesondere ferner dadurch aus, dass
- - die Dünnschichtelemente während des Fallens von den Ausricht- und Führungsprofilen 21 der Ausrichteeinheiten 2 bzw. 2a an die genaueren Führungsecken 33 der Fixiereinheit 3 übergeben werden.
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Dadurch kann jedes Dünnschichtelement einzeln ausgerichtet werden.
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Der neunte Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt zeichnet sich insbesondere ferner dadurch aus, dass
- - sich der Downstacker 6 in Abhängigkeit der Anzahl der montierten Dünnschichtslemente stufenweise absenkt.
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Hierdurch kann insbesondere ein zu hohes Aufstapeln der Elemente verhindert und eine konstante Montagehöhe gewährleisten werden.
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Der neunte Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt zeichnet sich insbesondere ferner dadurch aus, dass
- - die Dünnschichtelemente zum Ende der Montage von der Andrückeinheit auf ein vorgesehenes Maß gehalten werden.
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Der neunte Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt zeichnet sich insbesondere ferner dadurch aus, dass
- - falls nicht die gesamte Anzahl der Dünnschichtelemente montiert werden kann, ein neuer befüllter Dünnschichtelementträger 1 bereitgestellt wird und der Montagevorgang bis zur vorgesehenen Stapelhöhe fortgesetzt wird.
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In den 17a bis 17c wird im Wesentlichen das Zusammenspiel von Kulissenelementen 57 und den Aufnahmen 53 bzw. Gleitsteinen 54 dargestellt. Es ist insbesondere erkennbar, dass das Kulissenelement 57 gegenüber den Aufnahmen 53 bzw. Gleitsteinen 54 verfahren werden, wodurch die Aufnahmen 53 nacheinander gelöst werden, so dass die auf den Aufnahmen 53 aufgenommenen Dünnschichtelemente MEA, BPP aus den Aufnahmen 53 freigegeben werden und die freigegebenen Dünnschichtelemente MEA, BPP auf die Bauteilaufnahme 62 des den Stapelwerkstückträger 63 des Downstackers 6 fallen.
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In der 18 bis 18b ist die Stapelvorrichtung in einem zehnten Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt dargestellt. Der zehnte Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass
- - die Montageeinheiten 5, 5a aus einer unteren Position und nach Beendigung der Montage in Y-Richtung soweit zurückgefahren, dass die Aufnahmen 53 der Dünnschichtelemente ausfedern und außerhalb der Störkontur des montierten Stacks sind.
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Der zehnte Vorrichtungszustand bzw. Verfahrensschritt zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass
- - die Montageeinheiten entweder in Z-Richtung zum Start einer neuen Montage oder in Grundstellung zum Wechsel eines neuen Dünnschichtelementträgers verfahren werden, wobei
- - die Ausrichteeinheiten 2, 2a in Grundstellung verfahren werden, wobei
- - der Downstacker 6 für eine weitere Montage in dieser Position verbleibt oder in Grundstellung zum Wechsel eines neuen Dünnschichtelementträgers 1 und Stapelwerkstückträgers 63 verfahren wird, wobei
- - die Fixiereinheit 3 für eine weitere Montage in dieser Position verbleibt oder in Grundstellung zum Wechsel eines neuen Dünnschichtelementträgers 1 und Stapelwerkstückträgers 63 verfahren wird, wobei der leere Dünnschichtelementträger 1 an ein geeignetes Transportmittel übergeben und ein mit Dünnschichtelementen bestückter Dünnschichtelementträger 1 übernommen wird.
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Der Dünnschichtelementträger 1 wird dann in Grundstellung verfahren.
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In der 19 ist eine alternative Ausführungsform des Dünnschichtelementträgers 1 dargestellt.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Dünnschichtelementträger 1 zwei Dünnschichtelementträger 1, 1a umfasst.
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Im Rahmen des Verfahrens zeichnet sich die Ausführungsform der zwei Dünnschichtelementträger 1, 1a insbesondere dadurch aus, dass sie beiden Dünnschichtelementträger 1, 1a zur Montageposition verfahren werden. Hier kann auf die oben gemachten Ausführungen zu 10 bis 10b verwiesen werden.
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Es ist dabei insbesondere vorgesehen, dass die Dünnschichtelementträger 1, 1a in der Höhe um die Hälfte der Kammteilung versetzt sind. Dadurch können die Dünnschichtelemente in X und Y-Richtung übereinander positioniert und die BPP und MEA können durch zwei separate Dünnschichtelementträger 1, 1a zugeführt werden. Der weitere Ablauf entspricht dem bereits beschriebenen. Insbesondere soll hier eine alternative Ausführungsform eines Verfahrens zum Ablegen eines ersten Dünnschichtelements (MEA) auf ein zweites Dünnschichtelement (BPP) unter Verwendung zweier Dünnschichtelementträger 1, 1a verdeutlicht werden.
