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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bedrucken eines Substrats mit einem Dicht- und/oder Klebstoff. Bei dem Substrat kann es sich insbesondere um eine Schicht oder eine Lage einer elektrochemischen Zelle handeln, beispielsweise um eine Mono- oder Bipolarplatte, eine Separatorplatte und/oder eine Membran-Elektroden-Anordnung. Das Bedrucken des Substrats mit dem Dicht- und/oder Klebstoff dient insbesondere der Ausbildung mindestens einer Dichtung der elektrochemischen Zelle.
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Stand der Technik
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Elektrochemische Zellen, wie beispielsweise Brennstoffzellen, Elektrolysezellen oder Batteriezellen, weisen einen mehrschichtigen bzw. mehrlagigen Aufbau auf. Dieser Aufbau erfordert zwischenliegende Dichtungen, um die im Betrieb einer Zelle zugeführten Medien voneinander zu trennen. Zur Ausbildung der Dichtungen wird ein Dicht- und/oder Klebstoff auf eine Schicht oder Lage der Zelle appliziert. Hierbei gelangen insbesondere Dispens- oder Druckverfahren zum Einsatz.
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Die Massenproduktion elektrochemischer Zellen erfordert eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit, das heißt kurze Taktzeiten, sowie eine hohe Prozessstabilität. Diesen Anforderungen wird insbesondere der Schablonendruck gerecht. Der Druckprozess beim Schablonendruck gliedert sich dabei prinzipiell in die folgenden drei Teilprozesse:
- 1. Applizieren des Dicht- und/oder Klebstoffs auf der Schablone, die zuvor auf das zu bedruckende Substrat aufgelegt wurde,
- 2. Befüllen der Schablonenausnehmung oder Schablonenausnehmungen mit dem Dicht- und/oder Klebstoff in einem Rakelprozess,
- 3. Auslösen des Dicht- und/oder Klebstoffs aus der Schablonenausnehmung bzw. den Schablonenausnehmungen durch Trennen der Schablone vom Substrat.
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In Schritt 2 und in Schritt 3 kann es zu einer unerwünschten Blasenbildung aufgrund einer falsch eingestellten Rheologie des Dicht- und/oder Klebstoffs, ungünstiger Druckparameter und/oder ungünstiger Schabloneneigenschaften kommen. Da Luftblasen zu Fehlstellen in der gedruckten Struktur führen, gilt es diese zu vermeiden. In Schritt 3 kann es ferner zu einer unerwünschten Fadenbildung kommen, wenn ein Teil des Dicht- und/oder Klebstoffs beim Auslösen an der Unterseite der Schablone haften bleibt. Diese Fäden, auch Filamente genannt, werden beim Trennen der Schablone vom Substrat in die Länge gezogen bzw. gedehnt, bis sie reißen oder sich von der Schablone lösen. Beim anschließenden Kollabieren der Fäden kann es zusätzlich zu einer Blasenbildung kommen.
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Die Gefahr der Fadenbildung ist besonders groß, wenn die Schablone zur Stabilisierung und/oder zur Verbindung mehrerer Schablonenteile eine von einem Steg oder einem Gitter überspannte Ausnehmung aufweist. Der Steg bzw. das Gitter schließt in der Regel flächenbündig mit der Oberseite der Schablone ab, weist jedoch eine geringere Dicke als die Schablone auf. Das heißt, dass der Steg bzw. das Gitter gegenüber der Unterseite der Schablone zurückspringt, so dass die Schablone an ihrer Unterseite gestuft ausgeführt ist. Der Rücksprung stellt sicher, dass beim Befüllen der Ausnehmung mit Dicht- und/oder Klebstoff dieser auch unter den Steg bzw. das Gitter gelangt, so dass sich ein vollständiges Druckbild ergibt. Allerdings kann beim anschließenden Trennen der Schablone vom Substrat der Dicht- und/oder Klebstoff sehr leicht an der Unterseite des Stegs oder Gitters haften bleiben, so dass es zur Fadenbildung kommt.
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Diese Problematik ist beispielhaft in der 1a) bis 1e) dargestellt. 1a) zeigt eine auf einem Substrat 1 aufliegende Schablone 3 mit einer Ausnehmung 4, die von einem aus mehreren Stegen 5 gebildeten Gitter 6 überspannt ist. Die Ausnehmung 4 ist vollständig mit einem Dicht- und/oder Klebstoff 2 befüllt, so dass sich auch unter den Stegen 5 Dicht- und/oder Klebstoff 2 befindet. In der 1b) wird die Schablone 3 zum Auslösen des Dicht- und/oder Klebstoffs 2 vom Substrat 1 durch Anheben getrennt. Je weiter die Schablone 3 angehoben wird, desto mehr Dicht- und/oder Klebstoff 2 löst sich. Unter den Stegen 5 bleibt jedoch Dicht- und/oder Klebstoff 2 haften, so dass es zur Fadenbildung kommt (1c)). Die Fäden 7 werden mit weiterem Anheben der Schablone 3 gedehnt, bis sie reißen (1d)). Dabei können die Fäden 7 in der Weise kollabieren, dass sogenannte „Sanduhr-Brücken“ ausgebildet werden, so dass im unteren Bereich der Sanduhr-Brücke Luft eingeschlossen bleibt und zur Ausbildung einer Luftblase 9 führt (1e)).
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Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, die Gefahr der Faden- und Blasenbildung beim Bedrucken eines Substrats mit einem Dicht- und/oder Klebstoff zu minimieren. Auf diese Weise soll die Qualität der gedruckten Struktur verbessert werden, wobei es sich bei der gedruckten Struktur insbesondere um eine Dichtung einer elektrochemischen Zelle handeln kann.
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Zur Lösung der Aufgabe werden die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorgeschlagene Vorrichtung zum Bedrucken eines Substrats, insbesondere einer Schicht oder Lage einer elektrochemischen Zelle, mit einem Dicht-und/oder Klebstoff weist eine Schablone mit einer Oberseite und einer Unterseite sowie mindestens einer sich von der Oberseite bis zur Unterseite erstreckenden Ausnehmung zur Aufnahme des Dicht- und/oder Klebstoffs auf. Die Schablone bildet dabei im Bereich der Ausnehmung mindestens einen Steg aus, der in der Draufsicht auf die Ober- und/oder Unterseite der Schablone eine Breite von 50 bis 200 µm aufweist und in einem Mindestabstand von mindestens 400 µm zu einem weiteren Steg und/oder einer Begrenzungswand der Ausnehmung angeordnet ist.
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Die Einhaltung des Mindestabstands bei der vorgeschlagenen Stegbreite verringert die Wahrscheinlichkeit, dass es bei einer Fadenbildung zur Ausbildung einer „Sanduhr-Brücke“ kommt, da die kollabierenden Fäden aufgrund des Mindestabstands nicht aufeinander, sondern in sich zusammenfallen. Zugleich sinkt die Gefahr der Blasenbildung.
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Ein Steg im Bereich der Ausnehmung wird insbesondere dann benötigt, wenn die Ausnehmung eine geschlossene Kontur aufweist, so dass die Ausnehmung die Schablone in mehrere Teile teilt. Über den mindestens einen Steg werden die mehreren Teile zusammengehalten. Eine geschlossene Kontur weist in der Regel auch eine der Medientrennung dienende Dichtung einer elektrochemischen Zelle auf, so dass die vorgeschlagene Vorrichtung insbesondere bei der Herstellung einer solchen Dichtung zur Anwendung gelangen kann.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass der mindestens eine Steg mit der Oberseite der Schablone flächenbündig abschließt und gegenüber der Unterseite zurückspringt, wobei der Rücksprung eine Höhe aufweist, die mindestens dreimal, vorzugsweise mindestens viermal, weiterhin vorzugsweise mindestens fünfmal, so hoch wie die Höhe des Stegs ist, die 50 bis 200 µm beträgt. Die Steghöhe kann demnach der Stegbreite entsprechen, wobei eine Steghöhe von 50 µm nicht unterschritten werden sollte, da andernfalls der Steg keine ausreichende mechanische Stabilität aufweist. Durch das angegebene Höhenverhältnis zwischen der Höhe des Rücksprungs und der Höhe des Stegs bleibt eine ausreichende Höhe der gedruckten Struktur im Bereich des Stegs sichergestellt. Denn die Höhe der Struktur im Bereich des Stegs wird um die Steghöhe reduziert. Dies ist insbesondere relevant, wenn es sich bei der gedruckten Struktur um eine Dichtung handelt. Darüber hinaus trägt das angegebene Höhenverhältnis ebenfalls zu einer verringerten Fadenbildung und damit zu einer verringerten Blasenbildung bei.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der mindestens eine Steg zumindest eine in Kontakt mit dem Dicht- und/oder Klebstoff gelangende Oberfläche aufweist, die durch eine Hydrophobierung oder eine Oleophobierung nachbehandelt ist. Die vorgeschlagene Nachbehandlung verringert die Adhäsionskräfte beim Auslösen des Dicht- und/oder Klebstoffs aus der Ausnehmung. Demzufolge verbessert sich das Ablöseverhalten des Dicht-und/oder Klebstoffs. Ob eine Nachbehandlung in Form einer Hydrophobierung oder in Form einer Oleophobierung vorgenommen wird, hängt insbesondere von der Zusammensetzung des Dicht- und/oder Klebstoffs ab. Bei der mindestens einen nachbehandelten Oberfläche kann es sich insbesondere um die Unterseite und/oder eine Seitenfläche des mindestens einen Stegs handeln. Denn alle drei Flächen gelangen während des Druckprozesses in Kontakt mit dem Dicht-und/oder Klebstoff.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass mehrere Stege parallel zueinander angeordnet sind und/oder mehrere Stege ein Gitter ausbilden. Das Gitter weist insbesondere sich kreuzende Stege auf. Je nach Größe des Gitters weist das Gitter zudem parallel verlaufende Stege auf. Aufgrund der mehreren Stege bzw. des Gitters kann die Ausnehmung der Schablone eine geschlossene Kontur aufweisen, da die Stege bzw. das Gitter die mehreren Teile der Schablone zusammenhalten. Die Stege bzw. das Gitter ermöglichen auf diese Weise eine einteilige Ausführung der Schablone.
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Das Gitter weist vorzugsweise eine Maschenweite in Breiten- und Längenrichtung von jeweils mindestens 400 µm auf. Dadurch ist sichergestellt, dass der zwischen zwei Stegen bzw. zwischen einem Steg und einer Begrenzungswand der Ausnehmung geforderte Mindestabstand eingehalten wird.
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Darüber hinaus wird ein Verfahren zum Bedrucken eines Substrats, insbesondere einer Schicht oder Lage einer elektrochemischen Zelle, mit einem Dicht- und/oder Klebstoff unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- - Auflegen der Schablone auf das Substrat, so dass die Unterseite der Schablone in Flächenkontakt mit dem Substrat gelangt,
- - Applizieren des Dicht- und/oder Klebstoffs auf der Oberseite der Schablone,
- - Befüllen der mindestens einen Ausnehmung der Schablone mit dem Dicht-und/oder Klebstoff mit Hilfe einer Rakel, die über die Oberseite der Schablone gezogen wird,
- - Auslösen des Dicht- und/oder Klebstoffs aus der mindestens einen Ausnehmung durch Trennen der Schablone von dem Substrat.
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Da das Verfahren unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt wird, wird die Fadenbildung und damit die Blasenbildung reduziert. In der Folge kommt es weniger zu Fehlstellen in der gedruckten Struktur, was insbesondere von Vorteil ist, wenn die gedruckte Struktur eine Dichtung, beispielsweise eine Dichtung einer elektrochemischen Zelle, ist. Neben einer gesteigerten Druckqualität können zugleich die Prozessstabilität und die Reproduzierbarkeit des Verfahrens gesteigert werden.
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Bevorzugt wird in einem nachgelagerten Schritt der Dicht- und/oder Klebstoff unter Einwirkung von Licht, Wärme und/oder Feuchtigkeit ausgehärtet. Sofern das Aushärten unter Einwirkung von Licht erfolgt, kann nach der Belichtung eine Dunkelreaktion bei der Aushärtung des Dicht- und/oder Klebstoffs beteiligt sein.
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Ferner bevorzugt wird das bedruckte Substrat mit einem Fügepartner gefügt. Das heißt, dass sich an den Druckvorgang ein Fügevorgang anschließt. Dies ist möglich, da bei dem vorgeschlagenen Verfahren ein Dicht- und/oder Klebstoff als Druckmaterial verwendet wird. Über die gedruckte Struktur können dann die Fügepartner gefügt und zugleich nach außen abgedichtet werden.
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Da es sich bei dem zu bedruckenden Substrat insbesondere um eine Schicht oder eine Lage einer elektrochemischen Zelle handeln kann, wird vorgeschlagen, dass das Substrat mit einer weiteren Schicht oder Lage der elektrochemischen Zelle als Fügepartner gefügt wird. Das vorgeschlagene Verfahren kann somit insbesondere bei der Herstellung einer elektrochemischen Zelle zur Anwendung gelangen.
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Als weiterbildende Maßnahme wird vorgeschlagen, dass nach dem Trennen der Schablone von dem Substrat mindestens eine Bildaufnahme von der Oberseite und/oder der Unterseite der Schablone gemacht wird und anhand der mindestens einen Bildaufnahme anhaftende Reste des Dicht- und/oder Klebstoffs identifiziert werden. Werden anhaftende Reste identifiziert, lässt dies auf Fehlstellen der gedruckten Struktur schließen, so dass die mindestens eine Bildaufnahme eine einfache und zugleich schnelle Qualitätskontrolle ermöglicht.
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Die Bildaufnahme zur Identifikation anhaftender Reste des Dicht- und/oder Klebstoffs muss nicht zwingend mit der in Kontakt mit dem Dicht- und/oder Klebstoff gelangenden Unterseite der Schablone gemacht werden. Auch eine die Bildaufnahme der Oberseite lässt die Detektion von Druckfehlern zu. Denn die Bildaufnahme der Oberseite der Schablone lässt Dicht- und/oder Klebstoffreste erkennen, die in den Zwischenräumen zwischen zwei Stegen und/oder in den Gitterzellen verbleiben. Zur Qualitätskontrolle müssen dann nur noch die gefüllten Zwischenräume bzw. Gitterzellen gezählt werden, da jeder gefüllte Zwischenraum bzw. jede gefüllte Gitterzelle einem Druckfehler entspricht. Mit Hilfe der mindestens einen Bildaufnahme können somit Druckfehler, insbesondere Luftblasen, indirekt detektiert werden.
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Bevorzugt werden die anhaftenden Reste des Dicht- und/oder Klebstoffs mit Hilfe eines Bildverarbeitungsprogramms identifiziert. Das Verfahren zur Qualitätskontrolle kann somit automatisiert werden. Ferner können mit Hilfe des Bildverarbeitungsprogramms anhand des Füllgrads eines Zwischenraums und/oder einer Gitterzelle bestimmte Druckfehler erkannt werden, so dass die Qualitätskontrolle eine höhere Genauigkeit aufweist.
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Führt die Qualitätskontrolle zu dem Ergebnis, dass aufgrund einer zu hohen Anzahl an Druckfehlern die Qualität unzureichend ist, können die Druckparameter geändert bzw. angepasst werden. Beispielsweise kann die Rheologie des Dicht- und/oder Klebstoffs neu eingestellt werden. Ferner können die Trennvorgangsparameter verändert werden. Auf diese Weise kann der Ausschuss reduziert werden, wodurch die Kosten sinken.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 a) bis e) jeweils einen Längsschnitt durch eine herkömmliche Vorrichtung zum Bedrucken eines Substrats während des Abziehens mit Hilfe einer Rakel,
- 2 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bedrucken eines Substrats mit einem Dicht- und/oder Klebstoff,
- 3 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung der 2,
- 4 a) bis e) jeweils einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung während eines Druckvorgangs,
- 5 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung nach einem Druckvorgang.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Anhand der 1a) bis 1e) wurde bereits in der Beschreibungseinleitung die Problematik der Luftblasenbildung beim Schablonendruck beschrieben, so dass in Bezug auf die 1a) bis 1e) auf die Beschreibungseinleitung verwiesen wird.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren werden nachfolgend anhand der 2 bis 5 näher beschrieben.
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Den 2 und 3 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bedrucken eines Substrats 1 mit einem Dicht- und/oder Klebstoff 2 zu entnehmen. Bei dem Substrat 1 kann es sich insbesondere um eine Schicht oder Lage 10 einer elektrochemischen Zelle handeln, beispielsweise um eine Bipolarplatte oder eine Membran-Elektroden-Anordnung. Durch Bedrucken der Schicht oder Lage 10 mit dem Dicht- und/oder Klebstoff 2 kann eine Dichtung, insbesondere eine Dichtung mit einer geschlossenen Kontur, ausgebildet werden.
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Die in den 2 und 3 dargestellte Vorrichtung umfasst hierzu eine Schablone 3 mit einer Oberseite 3.1 und einer Unterseite 3.2 sowie einer Ausnehmung 4, die sich von der Oberseite 3.1 bis zur Unterseite 3.2 erstreckt und seitlich von Begrenzungswänden 8 eingefasst wird (siehe 3).
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Im Bereich der Ausnehmung 4 bildet die Schablone 3 ein aus Stegen 5 gebildetes Gitter 6 aus, das sich über die gesamte Breite B1 der Ausnehmung erstreckt. Das Gitter 6 schließt flächenbündig mit der Oberseite 3.1 der Schablone 3 ab. An der Unterseite 3.2 springt das Gitter 6 zurück. Die Breite B2 der Stege 5 beträgt 50 bis 200 µm. Die Höhe H2 der Stege 5 kann ebenfalls 50 bis 200 µm betragen. Der Rücksprung weist eine Höhe H1 auf, die mindestens dreimal so groß wie die Höhe H2 der Stege 5 des Gitters 6 ist. Die Abstände Ax und Ay zwischen den Stegen 5 betragen mindestens 400 µm (siehe 2).
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Diese Eigenschaften der Schablone 3 tragen dazu bei, dass das Bedrucken des Substrats 1 mit dem Dicht- und/oder Klebstoff 2 weitgehend faden- und blasenfrei erfolgt.
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Anhand der 4a) bis 4e) wird nachfolgend ein Druckvorgang unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben.
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In einem ersten Schritt wird die Schablone 3 der Vorrichtung auf das Substrat 1 aufgelegt und die Ausnehmung 4 der Schablone 3 mit dem Dicht- und/oder Klebstoff 2 befüllt. Das Befüllen erfolgt vorzugsweise unter Zuhilfenahme einer Rakel (nicht dargestellt), die über die Oberseite 3.1 der Schablone 3 gezogen wird. Überschüssiger Dicht- und/oder Klebstoff wird auf diese Weise entfernt (siehe 4a)). Anschließend wird der Dicht- und/oder Klebstoff 2 aus der Ausnehmung 4 ausgelöst, indem die Schablone 3 von dem Substrat 1 getrennt wird (4b)). Bei diesem Trennvorgang bilden sich zwar ebenfalls Fäden 7 aus (siehe 4c) und 4d)), diese führen jedoch beim Kollabieren aufgrund der Schabloneneigenschaften nicht zur Ausbildung einer „Sanduhr-Brücke“, so dass es auch nicht zu einer Blasenbildung kommt (siehe 4e)).
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Um dennoch im Anschluss an den Druckvorgang eine Qualitätskontrolle durchzuführen, kann von der Oberseite 3.1 oder der Unterseite 3.2 der Schablone 3 eine Bildaufnahme gemacht werden. Wie beispielhaft in der 5 dargestellt lässt die Bildaufnahme mit Dicht- und/oder Klebstoff 2 gefüllte Gitterzellen 11 erkennen (in der 5 sind die gefüllten Gitterzellen 11 jeweils durch eine Umrahmung identifiziert), wobei jede gefüllte Gitterzelle 11 auf einen Druckfehler schließen lässt. Auf diese Weise können Druckfehler indirekt detektiert werden.
