DE102022206747A1

DE102022206747A1 - Herstellungsverfahren zur Herstellung einer Bipolareinzelplatte

Info

Publication number: DE102022206747A1
Application number: DE102022206747.9A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt Erfinder
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2022-07-01
Filing date: 2022-07-01
Publication date: 2024-01-04
Also published as: WO2024002643A1

Abstract

Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren zur Herstellung einer Bipolareinzelplatte (200). Das Herstellungsverfahren umfasst das Abrollen eines Materialfilms (100) von einer Rolle (101) und das Durchführen des Materialfilms (100) durch ein Walzenpaar (107), wobei eine Bewegung des Materialfilms (100) in Durchlaufrichtung zu dem Walzenpaar (107) vor dem Walzenpaar (107) abgebremst wird, um den Materialfilm (100) zu spannen, und wobei durch das Walzenpaar (107) in den Materialfilm (100) eine dreidimensionale Kontur eingeformt wird, die auf allen drei Raumachsen sowohl linear als auch kurvenförmig verläuft, und wobei die Kontur ein Flussfeld (201) umfasst, dessen Flussfeldkanäle quer zu der Durchlaufrichtung des Materialfilms (100) verlaufen.

Description

Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren zur Herstellung einer Bipolareinzelplatte und eine Bipolareinzelplatte.
Bipolarplatten aus Edelstahl werden gemäß dem Stand der Technik durch sogenanntes Hydroforming oder durch translatorische Prägeverfahren hergestellt wie bspw. Tiefziehen oder Stanzprägen. Diese Verfahren formen das Blech dreidimensional um. Bei Prägeverfahren ist insbesondere im Bereich der Herstellung von Bipolarplatten jedoch lediglich eine zweidimensionale Umformung bekannt. Dies bedeutet, dass sich die Kontur des Bauteils nur über zwei Dimensionsachsen ändert. In der dritten Dimensionsachse verändert sich die Kontur nicht, sondern verläuft linear über das gesamte Bauteil. Sodass es möglich ist, durch die gesamte Kontur an der Y-Achse entlang hindurchzuschauen. Entsprechend ist ein Umformgrad über die gesamte Y-Achse kontinuierlich gleich stark und verändert sich nicht über den Achsenverlauf der Y-Achse. Daher sind die entsprechenden Konturen nicht von einer ebenen Fläche umschlossen.
Bei einer zweidimensionalen Umformung gibt es auch Varianten, bei denen sich die Kontur zwar auch in der dritten Dimension verändert, jedoch entsteht dies nur durch eine Zusammensetzung von zweidimensional umgeformten Konturen, die auf der dritten Dimensionsachse alle jeweils linear verlaufen. In der dritten Dimensionsachse verlaufen die Konturen dabei nie auf einer Kurve.
Bei einer dreidimensionalen Umformung verändert sich die Kontur eines Bauteils über alle drei Raumachsen. Entsprechend verlaufen die Konturen auf allen drei Raumachsen sowohl linear als auch auf Kurven. Der Umformgrad ist also an allen drei Raumachsen entlang unterschiedlich stark und nicht kontinuierlich auf einer Achse gleich. Dabei gibt es Umformkonturen, die von einer ebenen Fläche umschlossen sind. Es ist aber auch möglich, dass diese Fläche nicht eben, sondern gewölbt ist. Es ist nicht möglich durch die Kontur hindurchzuschauen.
Ferner werden Bipolareinzelplatten in der Regel in einem Rollumformungsprozess hergestellt, bei dem Flussfeld und Rahmenplatte getrennt voneinander bearbeitet werden, sodass eine zweiteilige Bipolareinzelplatte entsteht, was wiederum zeit- und materialaufwendig und entsprechend teuer ist.
Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Herstellungsverfahren für eine Bipolareinzelplatte und eine Bipolareinzelplatte vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Bipolareinzelplatte und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorgestellten Erfindung, eine Möglichkeit zum schnellen und materialsparenden Herstellen einer Bipolareinzelplatte bereitzustellen.
Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Herstellungsverfahren zur Herstellung einer Bipolareinzelplatte vorgestellt. Das Herstellungsverfahren umfasst das Abrollen eines Materialfilms, insbesondere eines Metallstreifens, von einer Rolle und das Durchführen des Materialfilms durch ein Walzenpaar, wobei eine Bewegung des Materialfilms in Durchlaufrichtung zu dem Walzenpaar vor dem Walzenpaar abgebremst wird, um den Materialfilm zu spannen, und wobei durch das Walzenpaar in den Materialfilm eine dreidimensionale Kontur eingeformt wird, die auf allen drei Raumachsen sowohl linear als auch kurvenförmig verläuft, und wobei die Kontur ein Flussfeld umfasst, dessen Flussfeldkanäle quer zu der Durchlaufrichtung verlaufen.
Unter einer Bipolareinzelplatte ist im Kontext eine Hälfte einer Bipolarplatte zu verstehen, sodass zwei zusammengefügte Bipolareinzelplatten eine Bipolarplatte ergeben.
Unter einem Materialfilm ist im Kontext der vorgestellten Erfindung insbesondere ein Blech aus bspw. Edelstahl zu verstehen.
Das vorgestellte Herstellungsverfahren basiert auf einem dreidimensionalen Umformvorgang, d.h. einem Rollumformverfahren, bei dem in einen Materialfilm eine dreidimensionale Kontur eingeformt wird. Um einen Faltenwurf des Materialfilms während des Umformvorgangs zu verhindern und jeweilige Glattbereiche faltenfrei zu halten, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Materialfilm in Durchlaufrichtung vor einem zum Umformen verwendeten Walzenpaar abgebremst wird, sodass der Materialfilm sich spannt.
Ferner ist vorgesehen, dass die Kontur ein Flussfeld umfasst, dessen Flussfeldkanäle quer zu der Durchlaufrichtung verlaufen. Quer zur Durchlaufrichtung verlaufende Flussfeldkanäle ermöglichen es bei jedem Kanal Material von hinten aus dem Materialfilm nachfließen zu lassen, was zu einer minimalen Materialausdünnung führt. Hierdurch können besonders hohe Umformgrade erreicht werden.
Im Gegensatz zu quer verlaufenden Flussfeldkanälen sperren sich längs verlaufende Flussfeldkanäle gegenseitig und sperren Materialeinfluß ab, wodurch der Materialfilm mit zunehmender Verformung immer stärker ausdünnt.
Die Umformgeschwindigkeit ist generell ein wesentlicher Vorteil des Rollumformens gegenüber Hydroforming oder translatorischen Prägen. Ein weiterer Vorteil des Rollumformens ergibt sich durch sehr geringe Umformkräfte auf Grund von in Linienberührung wirkenden Umformgeometrien der eingesetzten Walzen. Ferner ist ein geringerer Materialverschnitt als beim Hydroforming oder Prägen möglich da keine so große Haltefläche erforderlich ist.
Es kann vorgesehen sein, dass das Abbremsen durch eine Bremsvorrichtung an der Rolle erfolgt.
Durch eine Bremsvorrichtung direkt an einer zum Bereitstellen des Materialfilms vorgesehen Rolle, bspw. in einem Bandabwickler, kann der Materialfilm komplett „auf Zug“ bzw. unter Spannung gehalten werden. Da das angetriebene Formwalzenpaar, den Materialfilm zwischen die Walzen zieht und der Bandabwickler dagegenhält, entsteht eine Bandspannung, d.h. eine Kraft, die den Materialfilm spannt. Dabei kann die Bremsvorrichtung auf eine Drehgeschwindigkeit des Walzenpaares eingestellt werden oder mittels eines Sensor, der eine mechanische Spannung des Materialfilms erfasst, derart geregelt werden, dass sich ein vorgegebener Spannungswert einstellt.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Bandspannung nicht mittels angetriebener Formwalzen sondern durch einen nachgelagerten angetriebenen Bandaufwickler erzeugt wird und das Formwalzenpaar nur mit dreht.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Bremsvorrichtung an der Rolle eine Reibbremseinrichtung, eine Magnetbremsvorrichtung, oder einen entgegen der Durchlaufrichtung drehenden Motor oder einen in Durchlaufrichtung langsamer drehenden Motor als das Walzenpaar umfasst. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Motor läuft und ein Bremsmoment aufbringt.
Zum Abbremsen der Rolle bzw. eines entsprechenden Bandabwicklers kann eine Reibbremsvorrichtung, wie bspw. eine Bremsbacke verwendet werden. Alternativ kann die Rolle mit einem Magneten oder einem Motor, wie bspw. einem Elektromotor entgegen der Durchlaufrichtung oder langsamer drehend in Durchlaufrichtung gedreht werden.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Abbremsen durch eine Bremsvorrichtung erfolgt, die eine Streifenbremseinrichtung umfasst, wobei die Streifenbremseinrichtung eine Reibbremse umfasst, die den Materialfilm zwischen der Rolle und dem Walzenpaar abbremst.
Eine Reibbremse, die den Materialfilm zwischen der Rolle und dem Walzenpaar abbremst kann eine an dem Walzenpaar anliegende Spannung sehr präzise einstellen, da Längeneffekte der Rolle bzw. des auf der Rolle aufgerollten Materialfilms, wie bspw. einem Materialstreifen oder einem Metallband beim Abbremsen verhindert bzw. umgangen werden.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Abbremsen durch eine Bremsvorrichtung erfolgt, die Bremsrollen umfasst, die zwischen der Rolle und dem Walzenpaar entgegen der Durchlaufrichtung drehen oder in Durchlaufrichtung langsamer drehen als die Formwalzen und den Materialfilm dadurch abbremsen. Alternativ kann der Motor in Durchlaufrichtung mitlaufen und ein Bremsmoment aufbringen.
Ein entgegen der Durchlaufrichtung drehendes oder in Durchlaufrichtung langsamer drehendes Paar Bremsrollen eignet sich besonders zum Einstellen einer sich dynamisch veränderten dynamischen Einstellbarkeit der Bremskraft.t. Entsprechend kann durch Bremsrollen gut auf einen sich dynamisch verändernden Produktionsprozess reagiert werden.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Materialfilm nach dem Walzenpaar und, optional einer weiteren Arbeitsfolge zum Lochen und Beschneiden auf eine weitere Rolle aufgerollt oder durch einen Trennschritt in einzelne Bipolareinzelplatten aufgetrennt wird.
Durch ein Aufrollen des umgeformten Materialfilms auf eine Rolle wird ein Transport und die Weiterverarbeitung der entsprechenden Bipolareinzelplatten erheblich erleichtert, da einzelne Bipolareinzelplatten sehr fragil sind und leicht beschädigt werden können.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass ein Walzenpaar mit mindestens einer, insbesondere zwei Formwalzen verwendet wird, die eine Anzahl Formnester aufweist, die eine Negativkontur einer zu formenden Bipolareinzelplatte aufweisen, durch die eine Materialrückfederung überbiegt, um nach dem Umformen ein maßhaltiges Bauteil zu erhalten.
Unter einem Formnest ist im Kontext der vorgestellten Erfindung eine komplette Abformung einer Bipolareinzelplatte zu verstehen, die zerspanend in eine jeweilige Walze eingearbeitet ist. Bspw. kann vorgesehen sein, dass das erfindungsgemäß vorgesehene Walzenpaar mindestens eine, insbesondere zwei Formwalzen umfasst, die jeweils mindestens zwei, insbesondere sechs, zehn oder zwölf Formnester umfasst.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Materialfilm nach dem Walzenpaar einem Formgebungsprozess, insbesondere einem Schneidprozess zugeführt wird, bei dem Lochungen im Bereich einer jeweiligen Bipolareinzelplatte eingebracht werden und eine Außenkontur der jeweiligen Bipolareinzelplatte geformt, insbesondere geschnitten wird.
Dadurch bedingt, dass das vorgestellte Herstellungsverfahren einteilig bzw. einstufig, d.h. in einer Arbeitsfolge verläuft, kann ein jeweiliger geformter Bipolareinzelplattenrohling durch den Materialfilm, d.h. in einem kontinuierlichen Prozess, einer Weiterverarbeitungsinstanz, wie bspw. einer Stanze zum Formen, insbesondere Schneiden von Lochungen und einer Außenkontur zugeführt werden. Entsprechend entsteht nach der Weiterverarbeitungsinstanz ein Materialfilm mit einer Vielzahl fertiger Bipolareinzelplatten.
Dies kann sowohl durch einzeln rausgetrennte Bipolareinzelplatten als auch über an Anbindungsstellen verbundene Bipolareinzelplatten in einem Endlosstreifen bzw. Materialfilm erfolgen, der wieder zu einer Rolle aufgewickelt wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung eine Bipolareinzelplatte, wobei die Bipolareinzelplatte hergestellt ist durch eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Herstellungsverfahrens.
Es kann vorgesehen sein, dass ein Flussfeld, ein Verteilbereich und eine Rahmenplatte der Bipolarplatte aus einem einzigen Stück Metall bestehen.
Durch den erfindungsgemäß vorgesehenen dreidimensionalen Formgebungsprozess kann eine Bipolareinzelplatte aus einem einzelnen Stück Metall gefertigt werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen:

1 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Herstellungsverfahrens,
2 eine mögliche Ausgestaltung der vorgestellten Bipolareinzelplatte.

In 1 ist ein Ablauf des vorgestellten Herstellungsverfahrens schematisch dargestellt.
Zu Beginn wird ein Materialfilm 100 von einer Rolle 101 auf einem Bandabwickler 103 abgerollt. Über eine Umlenkrolle 105 wird der Materialfilm 100 zu einem Walzenpaar 107 geführt. Das Walzenpaar 107 umfasst eine untere Formrolle (Patrize) 109 und eine obere Formrolle (Matrize) 111, die den Materialfilm 100 in einem dreidimensionalen Umformungsprozess formen.
Über eine weitere Umlenkrolle 113 wird der Materialfilm zu einer Weiterverarbeitungseinrichtung 115 geführt, die den Materialfilm 100 locht und an Rändern der jeweiligen geformten Bipolareinzelplatten bearbeitet.
Abschließend wird der Materialfilm 100 entweder auf einem Bandaufwickler 117 aufgerollt oder in einzelne Bipolareinzelplatten geschnitten.
Um den Materialfilm 100 im Bereich des Walzenpaares 107 auf Spannung zu halten, wird der Materialfilm vor dem Walzenpaar 107 gebremst, wie durch Pfeile 119 angedeutet. Dabei kann das Abbremsen des Materialfilms 100 bspw. durch eine Bremsvorrichtung an dem Bandabwickler 103 oder durch ein hier nicht dargestelltes zusätzliches Walzenpaar, das sich in Durchlaufrichtung langsamer als das Formwalzenpaar, die durch Pfeil 121 angedeutet ist, dreht.
In 2 ist eine Bipolareinzelplatte 200 dargestellt. Die Bipolareinzelplatte 200 umfasst ein Flussfeld 201, in dem ein Muster ausgeformt ist, welches kanalförmig entlang der Bipolareinzelplattenlängsachse, insbesondere in allen drei Raumachsen linear und kurvenförmig verläuft.
Ferner umfasst die Bipolareinzelplatte 200 einen Verteilerbereich 210 und einen Plattenrahmen 205, die zusammen mit dem Flussfeld 201 aus einem einzigen Stück Metall geformt sind, in das somit ein Muster ausgeformt ist, das in allen drei Raumachsen, insbesondere in Bereich eines Übergangs vom Flussfeld 201 zum Verteilerbereich 210 bzw. einem Bereich eines Übergangs von dem Plattenrahmen 205 zu dem Flussfeld 201 bzw. vom Verteilerbereich 210 zu dem Plattenrahmen 205 linear und kurvenförmig verläuft.
Beim Herstellen der Bipolareinzelplatte 200 wird diese derart durch ein Walzenpaar geführt, dass in dem Flussfeld 201 geformte Kanäle, wie durch einen Pfeil 207 angedeutet, quer zu einer Durchlaufrichtung verlaufen, die durch Pfeil 209 angedeutet ist.
Bezugszeichenliste

100: Materialfilm
101: Rolle
103: Bandabwickler
105: Umlenkrolle
107: Walzenpaar
109: Patrize
111: Matrize
113: Umlenkrolle
115: Weiterverarbeitungseinrichtung
117: Bandaufwickler
119: Pfeil
121: Pfeil
200: Bipolareinzelplatte
201: Flussfeld
203: Lochungen für Medieneinlässe
205: Plattenrahmen
207: Pfeil
209: Pfeil
210: Verteilerbereich

Claims

Herstellungsverfahren zur Herstellung einer Bipolareinzelplatte (200), wobei das Herstellungsverfahren umfasst: - Abrollen eines Materialfilms (100) von einer Rolle (101), - Durchführen des Materialfilms (100) durch ein Walzenpaar (107), wobei eine Bewegung des Materialfilms (100) in Durchlaufrichtung zu dem Walzenpaar (107) vor dem Walzenpaar (107) abgebremst wird, um den Materialfilm (100) zu spannen, und wobei durch das Walzenpaar (107) in den Materialfilm (100) eine dreidimensionale Kontur eingeformt wird, die auf allen drei Raumachsen sowohl linear als auch kurvenförmig verläuft, und wobei die Kontur ein Flussfeld (201) umfasst, dessen Flussfeldkanäle quer zu der Durchlaufrichtung verlaufen.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbremsen durch eine Bremsvorrichtung an der Rolle (101) erfolgt.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsvorrichtung (103) eine Reibbremseinrichtung, eine Magnetbremsvorrichtung oder einen in der Durchlaufrichtung langsamer als das Formwalzenpaar drehenden Motor umfasst.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbremsen durch eine Bremsvorrichtung erfolgt, die eine Streifenbremseinrichtung umfasst, wobei die Streifenbremseinrichtung eine Reibbremse umfasst, die den Materialfilm (100) zwischen der Rolle (101) und dem Walzenpaar (107) abbremst.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbremsen durch eine Bremsvorrichtung erfolgt, die Bremsrollen umfasst, die zwischen der Rolle (101) und dem Walzenpaar (107) in der Durchlaufrichtung langsamer drehen als das Formwalzenpaar und den Materialfilm (100) dadurch abbremsen.
Herstellungsverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialfilm (100) nach dem Walzenpaar (107) und einer Weiterverarbeitungseinrichtung (115) auf eine weitere Rolle aufgerollt wird.
Herstellungsverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialfilm (100) nach dem Walzenpaar (107) durch einen Trennschritt in einzelne Bipolareinzelplatten (200) aufgetrennt wird.
Herstellungsverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialfilm (100) nach dem Walzenpaar (107) und einer Weiterverarbeitungseinrichtung (115) auf eine weitere Rolle aufgerollt wird.
Herstellungsverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialfilm (100) nach dem Walzenpaar (107) und einer Weiterverarbeitungseinrichtung (115) durch einen Trennschritt in einzelne Bipolareinzelplatten aufgetrennt wird.
Herstellungsverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Walzenpaar (107) mit einer Formwalze (109,111) verwendet wird, die eine Anzahl Formnester aufweisen, die eine Negativkontur einer zu formenden Bipolareinzelplatte (200) aufweisen, durch die eine Materialrückfederung überbogen wird, um nach dem Umformen ein maßhaltiges Bauteil zu erhalten.
Herstellungsverfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialfilm (100) nach dem Walzenpaar (107) einem Formgebungsprozess zugeführt wird, bei dem Lochungen im Bereich einer jeweiligen Bipolareinzelplatte (200) eingebracht werden und eine Außenkontur der jeweiligen Bipolareinzelplatte (200) geformt wird.
Herstellungsverfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialfilm mittels eines dem Walzenpaar nachgeordneten Bandaufwicklers (117) gespannt wird.
Bipolareinzelplatte (200), wobei die Bipolareinzelplatte (200) hergestellt ist durch ein Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche.
Bipolareinzelplatte (200) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Flussfeld (201), ein Verteilbereich (210) und ein Plattenrahmen (205) der Bipolareinzelplatte (200) aus einem einzigen Stück Metall bestehen.