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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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Die Schablonendicke bestimmt dabei die Schichthöhe der applizierten Struktur, wobei übliche Schichthöhen im Bereich von 300 µm bis 500 µm liegen. Für Dichtungen elektrochemischer Zellen werden jedoch Schichthöhen von bis zu 1500 µm gefordert, um einen Toleranzausgleich zu erzielen und möglichst frei im Design der aufzubringenden Strukturen zu sein. Denn - abhängig vom jeweiligen Dichtungskonzept - können die aufzubringenden Strukturen groß und/oder komplex sein.
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Um die für Dichtungen elektrochemischer Zellen geforderten Schichthöhen beim Schablonendruck zu erzielen, müssen demnach dickere Schablonen eingesetzt werden. Dies erhöht jedoch die Gefahr, dass während des Rakelprozesses zum Befüllen der Schablonenausnehmung bzw. Schablonenausnehmungen mit dem applizierten Dicht- und/oder Klebstoff Luftblasen mit eingearbeitet werden, die anschließend zu Fehlstellen führen. Denn mit der Schablonendicke vergrößert sich auch das mit dem Dicht- und/oder Klebstoff zu füllende Volumen der Schablonenausnehmung bzw. Schablonenausnehmungen.
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Diese Problematik wird nachfolgend anhand der 1a) und 1b) erläutert, welche eine auf einem Substrat 1 aufliegende Schablone 3 mit einer Ausnehmung 4 zeigen, die es mit einem Dicht- und/oder Klebstoff 2 zu befüllen gilt. Hierzu wird eine Rakel 12 über die Oberseite 3.1 der Schablone 3 gezogen. Zum Ende der Ausnehmung 4 hin kann nicht alle Luft aus der Ausnehmung 4 verdrängt werden, so dass sich in der Ausnehmung 4 eine Luftblase 13 ausbildet, die ein vollständiges Befüllen der Ausnehmung 4 verhindert. Das Druckbild ist in diesem Fall lückenhaft bzw. weist Fehlstellen auf. Die Gefahr einer eingeschlossenen Luftblase 13 steigt mit der Dicke d der Schablone 3.
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Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, die Gefahr von Luftblasen und damit Fehlstellen beim Bedrucken eines Substrats mit einem Dicht- und/oder Klebstoff zu verringern.
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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 9 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 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. Auf der Unterseite der Schablone ist dabei mindestens ein Plättchen als Distanzelement angeordnet.
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Das mindestens eine auf der Unterseite der Schablone angeordnete Plättchen bewirkt beim Auflegen der Schablone auf ein zu bedruckendes Substrat, dass zwischen der Schablone und dem Substrat ein Spalt verbleibt. Über den Spalt kann die Ausnehmung der Schablone beim Befüllen mit dem Dicht- und/oder Klebstoff entlüftet werden, so dass die Gefahr der Luftblasenbildung deutlich verringert ist. Die Entlüftung über den Spalt hilft somit Fehlstellen im Druckbild zu vermeiden, was insbesondere von Bedeutung ist, wenn der Druckvorgang der Herstellung einer Dichtung dient.
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Da die Gefahr der Ausbildung von Luftblasen deutlich verringert ist, kann die Schablonendicke erhöht werden, so dass auch Schichthöhen erzielbar sind, die deutlich über 300 µm liegen, beispielsweise bei 1500 µm, wie sie für Dichtungen elektrochemischer Zellen gefordert werden.
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Die Lage, Form und/oder Größe des mindestens einen Plättchens hängt von verschiedenen Faktoren ab, insbesondere von der Dicke der Schablone, der Größe und der Form der Ausnehmung sowie von den rheologischen Eigenschaften des Dicht- und/oder Klebstoffs.
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Für die Lage des mindestens einen Plättchens ist zudem die Rakelrichtung relevant, das heißt die Richtung, in der die Rakel über die Schablone gezogen wird. Die Rakelrichtung kann von vornherein vorgegeben sein, sie kann sich aber auch erst aus der Lage des mindestens einen Plättchens ergeben.
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Idealerweise ist das mindestens eine Plättchen in der Rakelrichtung hinter der mindestens einen Ausnehmung der Schablone angeordnet, so dass insbesondere eine in der mit dem Dicht- und/oder Klebstoff zu befüllenden Ausnehmung verbleibende Restluft über den Spalt entweichen kann. In diesem Fall ist es nicht notwendig, dass die Ausnehmung von einem umlaufenden Spalt zwischen der Schablone und dem Substrat umgeben ist. Das heißt, dass - zumindest bereichsweise - die Schablone weiterhin in Flächenkontakt mit dem Substrat stehen kann.
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Alternativ oder ergänzend kann mindestens ein Plättchen - unabhängig von der Rakelrichtung - in einem Bereich der mindestens einen Ausnehmung der Schablone angeordnet werden, der aufgrund seiner Form besonders schlecht zu entlüften ist. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Innenecke oder eine Außenecke der Ausnehmung handeln.
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Da - je nach Anzahl und Lage des mindestens einen Plättchens - die Schablone bereichsweise unmittelbar auf dem Substrat aufliegen sowie bereichsweise gegenüber dem Substrat angehoben sein kann, können sich unterschiedliche Schichthöhen beim Bedrucken des Substrats ergeben. Bei entsprechend geringer Höhe des mindestens einen Plättchens sind die unterschiedlichen Schichthöhen jedoch vernachlässigbar.
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Bevorzugt ist das mindestens eine Plättchen in einem Abstand a zur mindestens einen Ausnehmung der Schablone angeordnet. Der Abstand a gewährleistet, dass die Luft beim Entlüften der Ausnehmung an dem Plättchen vorbeiströmen kann. Der Abstand a beträgt vorzugsweise mindestens 1 bis 10 mm.
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Ferner bevorzugt weist das mindestens eine Plättchen eine Höhe h von 10 bis 200 µm auf. Die ideale Höhe h des Plättchens hängt insbesondere von der zu erzielenden Schichthöhe ab. Wird die vorgeschlagene Vorrichtung zur Herstellung einer Dichtung, insbesondere einer Dichtung einer elektrochemischen Zelle, eingesetzt, liegt die zu erzielenden Schichthöhe bei etwa 1500 µm. Gegenüber der zu erzielenden Schichthöhe ist demnach die Höhe h des Plättchens so gering, dass eine durch das Plättchen bewirkte Erhöhung der Schichthöhe nicht von Relevanz ist. Zugleich ist durch die geringe Höhe h des Plättchens sichergestellt, dass der Dicht- und/oder Klebstoff beim Abziehen mit Hilfe der Rakel nicht unter die Schablone gelangen kann und es so nicht zu Verschmierungen kommen kann.
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Das mindestens eine Plättchen weist in der Draufsicht vorzugsweise eine einfache geometrische Form auf, beispielsweise eine runde oder eckige Form. Das Plättchen ist somit einfach und kostengünstig herstellbar. Sofern eine runde Form gewählt wird, kann das Plättchen beim Entlüften der mindestens einen Ausnehmung der Schablone optimal von der entweichenden Luft umströmt werden.
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Das mindestens eine Plättchen kann insbesondere aus Metall, beispielsweise aus Stahl oder Aluminium, oder aus Kunststoff gefertigt sein. Das Plättchen kann zudem aus einem anderen Material als die Schablone hergestellt sein. Vorzugsweise wird ein Material gewählt, dass besonders robust ist, so dass die Schablone für eine Vielzahl von Druckvorgängen einsetzbar ist.
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Zur Erhöhung der Robustheit wird ferner vorgeschlagen, dass das mindestens eine Plättchen mit der Schablone stoffschlüssig verbunden, insbesondere verschweißt oder verklebt, ist. Die stoffschlüssige Verbindung stellt sicher, dass das Plättchen auch nach tausenden von Druck- und Reinigungszyklen noch vorhanden ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind auf der Unterseite der Schablone mehrere Plättchen in einem Abstand b zueinander angeordnet. Über die Anzahl der Plättchen kann der Strömungsquerschnitt des zwischen der Schablone und dem Substrat verbleibenden Spalts beeinflusst werden. Zwar ändert sich die Höhe des Spalts nicht, jedoch dessen Breite. Der Abstand b der Plättchen zueinander stellt sicher, dass die Luft beim Entlüften der Ausnehmung zwischen den Plättchen hindurchströmen kann. Der Abstand b beträgt vorzugsweise mindestens 1 bis 10 mm.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung eine Rakel zum Abziehen des Dicht- und/oder Klebstoffs auf der Oberseite der Schablone aufweist. Mit Hilfe der Rakel wird die mindestens eine Ausnehmung der Schablone beim Abziehen mit dem Dicht- und/oder Klebstoff befüllt. Die Rakel ist vorzugsweise breiter als die mindestens eine Ausnehmung, so dass diese in nur einem Abziehvorgang mit dem Dicht- und/oder Klebstoff befüllt werden kann.
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Des Weiteren wird ein Verfahren zum Bedrucken eines Substrats 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 das mindestens eine Plättchen in Flächenkontakt mit dem Substrat steht,
- - 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 in Richtung des mindestens einen Plättchens über die Oberseite der Schablone gezogen wird, wobei in der Ausnehmung vorhandene Luft über einen durch das mindestens eine Plättchen geschaffenen Spalt zwischen der Schablone und dem Substrat aus der Ausnehmung verdrängt wird.
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Die Lage des mindestens einen Plättchens bestimmt die Rakelrichtung, das heißt die Bewegungsrichtung der Rakel. Diese ist so gewählt, dass die in der Ausnehmung vorhandene Luft durch den Dicht- und/oder Klebstoff, der beim Abziehen durch die Rakel in die Ausnehmung gedrückt wird, in Richtung des mindestens einen Plättchens bzw. in Richtung des Spalts zwischen der Schablone und dem Substrat verdrängt wird. Da der Spalt bis zum vollständigen Befüllen der Ausnehmung mit dem Dicht- und/oder Klebstoff verbleibt, kann die Ausnehmung vollständig entlüftet bzw. vollständig mit dem Dicht- und/oder Klebstoff befüllt werden. Auf diese Weise werden Luftblasen und damit Fehlstellen der aufgedruckten Struktur vermieden.
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Bevorzugt wird beim Befüllen der mindestens einen Ausnehmung der Schablone mit dem Dicht- und/oder Klebstoff die Ausnehmung im Bereich des mindestens einen Plättchens als letztes befüllt. Dies ist insbesondere von Relevanz, wenn der zwischen der Schablone und dem Substrat verbleibende Spalt aufgrund der Lage des mindestens einen Plättchens und/oder der Anzahl der Plättchen nicht umlaufend um die Ausnehmung herum ausgebildet ist. Die Rakel wird in diesem Fall bevorzugt an einem Ende der Schablone angesetzt, das am weitersten von dem mindestens einen Plättchen entfernt liegt. Beim Abziehen wird dann die Rakel erst über die Ausnehmung und dann über den Bereich der Schablone gezogen, der an seiner Unterseite das mindestens eine Plättchen aufweist. Die Ausnehmung kann so vollständig entlüftet werden.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 a) und b) jeweils einen Längsschnitt durch eine herkömmliche Vorrichtung zum Bedrucken eines Substrats während des Abziehens mit Hilfe einer Rakel,
- 2 a) eine Untersicht auf, b) einen Längsschnitt durch eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bedrucken eines Substrats mit einem Dicht- und/oder Klebstoff,
- 3 a) eine perspektivische Darstellung einer zweiten erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bedrucken eines Substrats mit einem Dicht- und/oder Klebstoff und b) einen vergrößerten Ausschnitt der 3a),
- 4 a) eine perspektivische Darstellung einer dritten erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bedrucken eines Substrats mit einem Dicht- und/oder Klebstoff und b) einen vergrößerten Ausschnitt der 4a),
- 5 a) eine perspektivische Darstellung einer vierten erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bedrucken eines Substrats mit einem Dicht- und/oder Klebstoff und b) einen vergrößerten Ausschnitt der 5a).
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Anhand der 1a) und 1b) wurde bereits in der Beschreibungseinleitung die Problematik der Luftblasenbildung beim Schablonendruck beschrieben, so dass in Bezug auf die 1a) und 1b) auf die Beschreibungseinleitung verwiesen wird.
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Bevorzugte Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bedrucken eines Substrats mit einem Dicht- und/oder Klebstoff werden nachfolgend anhand der 2 bis 5 näher beschrieben.
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Bei dem Substrat 1 kann es sich insbesondere um eine Schicht oder Lage einer elektrochemischen Zelle handeln, beispielsweise um eine Bipolarplatte oder eine Membran-Elektroden-Anordnung. Durch Bedrucken des Substrats 1 mit einem Dicht- und/oder Klebstoff 2 kann insbesondere eine Dichtung der elektrochemischen Zelle ausgebildet werden.
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Die 2a) und 2b) zeigen eine erste bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung zum Bedrucken eines Substrats 1 mit einem Dicht- und/oder Klebstoff 2. Die Vorrichtung umfasst eine Schablone 3 und eine Rakel 12. Zum Bedrucken des Substrats 1 wird zunächst die Schablone 3 aufgelegt, so dass ein auf einer Unterseite 3.2 der Schablone 3 angeordnetes Plättchen 11 in Flächenkontakt mit dem Substrat 1 steht. Anschließend wird der Dicht- und/oder Klebstoff 2 auf eine Oberseite 3.1 der Schablone 3 appliziert und mit Hilfe der Rakel 12 abgezogen. Die Rakel 12 drückt dabei den Dicht- und/oder Klebstoff 2 in mindestens eine in der Schablone 3 ausgebildete Ausnehmung 4. Beim Abziehen nähert sich die Rakel 12 dem Ende der Ausnehmung 4 und damit dem Bereich der Schablone 3, der an seiner Unterseite 3.2 das Plättchen 11 aufweist. Bis zum vollständigen Befüllen der Ausnehmung 4 mit dem Dicht- und/oder Klebstoff 2 kann demnach in der Ausnehmung 4 vorhandene Luft über den durch das Plättchen 11 geschaffenen Spalt 5 zwischen der Schablone 3 und dem Substrat 1 entweichen. Die Luftströmung ist in der 2a) beispielhaft anhand von Pfeilen dargestellt.
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Da sich die Ausnehmung 4 von der Oberseite 3.1 bis zur Unterseite 3.2 der Schablone 3 erstreckt, bestimmt dort, wo die Schablone 3 direkt auf dem Substrat 1 aufliegt, die Dicke d der Schablone 3 die Schichthöhe des aufgebrachten Dicht- und/oder Klebstoffs 2 und damit die Höhe der späteren Struktur bzw. Dichtung (siehe 2b)). Dort, wo das Plättchen 11 auf dem Substrat 1 aufliegt, vergrößert sich die Schichthöhe um die Höhe h des Plättchens 11. Da die Höhe h des Plättchens 11 im Vergleich zur Höhe der herzustellenden Struktur bzw. Dichtung gering ist, kann der Höhenunterschied vernachlässigt werden. Die geringe Höhe h des Plättchens 11 verhindert zudem, dass beim Abziehen der Dicht- und/oder Klebstoff 2 unter die Schablone 3 gelangt.
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Eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der 3 zu entnehmen. Sie ähnelt der in der 2 dargestellten Ausführungsform. Die Schablone 3 ist lediglich etwas kürzer und die Ausnehmung 4 etwas länger ausgeführt. In einem End- und/oder Eckbereich 6 der Ausnehmung 4 ist an der Unterseite 3.2 der Schablone 3 in einem Abstand a zur Ausnehmung 4 das Plättchen 11 angeordnet. Das Plättchen 11 weist eine Länge x, eine Breite y sowie eine Höhe h auf. Die Breite y des Plättchens 11 entspricht im Wesentlichen der Breite der Ausnehmung 4. Die Länge x des Plättchens 11 ist etwas größer als der Abstand a gewählt. Durch den Abstand a ist sichergestellt, dass die Luft beim Entlüften der Ausnehmung 4 an dem Plättchen vorbeiströmen kann.
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Eine dritte Ausführungsform zeigen die 4a) und 4b). In dieser Ausführungsform weist die Schablone 3 eine umlaufende Ausnehmung 4 auf, welche die Schablone 3 in zwei Teile unterteilt. Die beiden Teile sind über Stege 15 miteinander verbunden. Die Stege 15 weisen eine Dicke auf, die geringer als die Dicke d der Schablone 3 ist, so dass auch im Bereich der Stege 15 das Substrat 1 mit dem Dicht- und/oder Klebstoff 2 bedruckt werden kann. In einem End- und/oder Eckbereich 6 der Ausnehmung 4 ist auf der Unterseite 3.2 der Schablone 3 ein Plättchen 11 angeordnet, dass eine runde Form aufweist. Wird die Schablone 3 mit dem Plättchen 11 nach unten weisend auf ein Substrat 1 aufgelegt, liegt das Plättchen 11 auf dem Substrat auf, so dass in diesem Bereich die Schablone 3 keinen Kontakt zum Substrat 1 hat. Es verbleibt somit ein Spalt 5 zwischen der Schablone 3 und dem Substrat 1, der beim Befüllen der Ausnehmung 4 mit dem Dicht- und/oder Klebstoff 2 mit Hilfe der Rake 12 (nicht dargestellt) das Entweichen der in der Ausnehmung 4 vorhandenen Luft ermöglicht.
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Wie beispielhaft in den 5a) und 5b) dargestellt, können auf der Unterseite 3.2 der Schablone 3 auch mehrere Plättchen 11 angeordnet sein. In dem dargestellten Beispiel sind vier runde Plättchen 11 jeweils in einem Abstand b nebeneinanderliegend vorgesehen. Die Anzahl und/oder die Form der Plättchen 11 kann aber auch gegenüber dem dargestellten Beispiel variieren.
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Abhängig von der Biegesteifigkeit der Schablone 3 kann sich diese während des Abziehens unter der Last der Rakel 12 verformen, so dass sich der Spalt 5 zwischen der Schablone 3 und dem Substrat 1 verringert (siehe auch 2b)). Das mindestens eine Plättchen 11 verhindert in diesem Fall, dass der Spalt 5 vollständig eliminiert wird.
