DE202021001176U1

DE202021001176U1 - Device for the electrochemical processing of electrically conductive workpieces

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Publication number: DE202021001176U1
Application number: DE202021001176.5U
Authority: DE
Original assignee: EMAG GmbH and Co KG
Current assignee: EMAG GmbH and Co KG
Priority date: 2021-03-26
Filing date: 2021-03-26
Publication date: 2021-06-17
Anticipated expiration: 2031-03-27

Abstract

Vorrichtung zur elektrochemischen Bearbeitung von elektrisch leitfähigen Werkstücken (3), insbesondere von Prägematrizen oder Präge-, Umform- oder Rollwerkzeugen, wobei zwischen den als Anode dienenden Werkstücken (3) und mindestens einer als Kathode dienenden Elektrode (1) eine Potentialdifferenz aufgebaut wird und wobei über einen Elektrolyten (2) ein Materialabtrag erfolgt, wobei durch den Materialabtrag eine Struktur, Kontur und/oder ein Profil in die Werkstückoberfläche (4) einbringbar ist, wobei das Werkstück (3) unten angeordnet ist und die als Werkzeug dienende Elektrode (1) von oben in das Werkstück (3) eingreift.

Device for the electrochemical processing of electrically conductive workpieces (3), in particular of stamping dies or stamping, forming or rolling tools, a potential difference being built up between the workpieces (3) serving as anode and at least one electrode (1) serving as cathode, and where Material is removed via an electrolyte (2), whereby a structure, contour and / or profile can be introduced into the workpiece surface (4) through the material removal, the workpiece (3) being arranged at the bottom and the electrode (1) serving as a tool engages in the workpiece (3) from above.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrochemischen Bearbeitung elektrisch leitfähiger Werkstücke wie Prägematrizen oder Präge- und/oder Umform- und/oder Rollwerkzeuge für Bipolarplatten für Brennstoff- oder Elektrolysezellen nach Anspruch 1 oder 5.The invention relates to a device for the electrochemical machining of electrically conductive workpieces such as stamping dies or stamping and / or forming and / or rolling tools for bipolar plates for fuel or electrolysis cells according to claim 1 or 5.

Die entsprechende Strukturierung oder Kontur der Umformflächen einer Prägewerkmatrize oder eines Präge- und/oder Umform- und/oder Rollwerkzeugs für Bipolarplatten für Brennstoff- oder Elektrolysezellen wird durch spezielle Bearbeitungsschritte wie beispielsweise Schleifen, Fräsen, Gravieren oder Laserfinishen oder Honen erreicht, wobei die genannten Verfahren sehr viel Bearbeitungszeit in Anspruch nehmen. Um eine hinsichtlich Anzahl, Größe, Tiefe und Verteilung der Vertiefungen oder Erhöhungen definierte Strukturierung oder Kontur der Kontaktfläche eines Präge- und/oder Umform- und/oder Rollwerkzeugs zu erzielen, wird u.a. versucht diese Oberfläche mittels Laser zu bearbeiten, um dadurch die gewünschten Vertiefungen/Erhöhungen zu erzielen.The corresponding structuring or contour of the forming surfaces of an embossing die or of an embossing and / or forming and / or rolling tool for bipolar plates for fuel or electrolysis cells is achieved through special processing steps such as grinding, milling, engraving or laser finishing or honing, the above-mentioned methods take a lot of processing time. In order to achieve a structuring or contour of the contact surface of an embossing and / or forming and / or rolling tool that is defined in terms of number, size, depth and distribution of the depressions or elevations, attempts are made, inter alia, to process this surface by means of a laser in order to thereby create the desired depressions / Achieve increases.

Diese Vorgehensweise hat jedoch zum einen den Nachteil, dass sie ebenfalls sehr zeitaufwändig ist bei einer großen Anzahl von Vertiefungen oder Erhöhungen, und darüber hinaus der auftreffende Laserstrahl auf der Oberfläche nicht nur eine Vertiefung oder Erhöhung erzeugt, sondern auch eine die Vertiefung ringförmig umgebende Aufwerfung, die in vielen Fällen nicht erwünscht ist, und eine erneute Nachbearbeitung zur Beseitigung dieser Aufwerfung erfordert.However, this procedure has the disadvantage, on the one hand, that it is also very time-consuming if there are a large number of depressions or elevations, and, moreover, the incident laser beam not only generates a depression or elevation on the surface, but also a ring-shaped protrusion surrounding the depression, which in many cases is not desired and requires further post-processing to eliminate this obstruction.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass durch die Laserbearbeitung eine räumlich eng begrenzte starke Erhitzung und anschließende schnelle Abkühlung erfolgt, was zu nicht erwünschten neuen Härte-Zonen führt.Another disadvantage is that the laser processing results in a spatially tightly limited strong heating and subsequent rapid cooling, which leads to undesired new hardness zones.

Für ganz andere Anwendungszwecke ist das Bearbeitungsverfahren des elektrochemischen Abtragverfahrens (ECM) bekannt, welches auch gepulst angewandt wird (PECM). Hiermit werden dreidimensionale Oberflächen erzeugt, beispielsweise die dreidimensionale Oberfläche von Turbinenschaufeln hergestellt. Durch die Annäherung einer entsprechend negativ gestalteten Elektrode an die zu bearbeitenden Oberflächen wird aus dieser Oberfläche Material abgetragen, was bei diesem Prozess sehr viel feiner als zum Beispiel mittels Funken-Erosion (EDM) möglich ist. Für die Stromleitung und den Abtransport der gelösten Stoffe wird während des gesamten Prozesses eine stromleitende Flüssigkeit, das sogenannte Elektrolyt, durch den Spalt zwischen Werkzeug und Werkstück hindurchgepresst.For completely different purposes, the machining process of the electrochemical removal process (ECM) is known, which is also used in a pulsed manner (PECM). This creates three-dimensional surfaces, for example the three-dimensional surface of turbine blades. As a correspondingly negative electrode approaches the surfaces to be processed, material is removed from this surface, which is possible in this process much finer than, for example, by means of spark erosion (EDM). During the entire process, a current-conducting liquid, the so-called electrolyte, is pressed through the gap between the tool and the workpiece to conduct electricity and remove the dissolved substances.

Im Stand der Technik sind Elektroden zur Bearbeitung vorgeformter Werkstücke bekannt, die im zu bearbeitenden Bereich ein Aufmaß aufweisen, welches über ein elektrochemisches Abtragverfahren (ECM oder PECM) entfernt wird. Die DE 10 2009 032 563 A1 beispielsweise betrifft eine Elektrode deren Oberfläche mit der Außenkontur von zu bearbeitenden Rotorschaufeln korrespondiert. Zur präziseren Erzeugung der Außenkontur ist die Elektrode hydraulisch verstellbar. Mittels elektrochemischer Bearbeitung können neben der Außenbearbeitung auch präzise Mikrobohrungen hergestellt werden. Dabei wird zwischen dem als Anode dienenden Bauteil und der als Kathode dienenden Elektrode ein Potential aufgebaut und das Bauteilmaterial über einen Elektrolyten abgetragen. Der Elektrolyt wird durch die Elektrode hindurch oder seitlich von dieser auf den zu bearbeitenden Bauteilbereich des Werkstücks geführt.In the prior art, electrodes for processing preformed workpieces are known which have an allowance in the area to be processed, which is removed using an electrochemical removal process (ECM or PECM). the DE 10 2009 032 563 A1 for example, an electrode relates to the surface of which corresponds to the outer contour of the rotor blades to be machined. The electrode is hydraulically adjustable for more precise generation of the outer contour. In addition to external machining, electrochemical machining can also be used to produce precise micro-bores. A potential is built up between the component serving as anode and the electrode serving as cathode and the component material is removed via an electrolyte. The electrolyte is fed through the electrode or laterally from it onto the component area of the workpiece to be machined.

Die zu bearbeitenden Bipolarplatten bestehen aus einem leitenden Material, wie rostfreiem Stahl, Titan, Aluminium, polymeren Kohlenstoffkompositen oder einem leitenden Komposit. Die Bipolarplatten weisen eine Kanalstruktur für das Prozessmedium und ggf. Strömungskanäle auf, durch die ein Kühlfluid strömt. Die Bipolarplatten bestehen aus einem leitenden Material, um die von den Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität von einer Zelle zu der nächsten Zelle und aus dem Stapel heraus leiten zu können.The bipolar plates to be processed consist of a conductive material such as stainless steel, titanium, aluminum, polymeric carbon composites or a conductive composite. The bipolar plates have a channel structure for the process medium and possibly flow channels through which a cooling fluid flows. The bipolar plates are made of a conductive material to conduct the electricity generated by the fuel cells from one cell to the next and out of the stack.

Solche Bipolarplatten werden sandwichartig zwischen zwei Membran-Elektroden-Einheiten (MEE) einer Brennstoff- oder Elektrolysezelle angeordnet. In einem zentralen Bereich der auf den beiden Stirnseiten einer Bipolarplatte vorhandenen Kanalstruktur ist in der Regel ein so genanntes Flussfeld („flowfield“) ausgebildet, in welchem durch eine vergleichsweise dichte Anordnung der - häufig meanderförmig verlaufenden - Kanäle die Prozessmedien dem aktiven Bereich der benachbarten MEE zugeführt bzw. von diesem abgeführt werden. Die Kanalstruktur ist über eine geeignete Zu- und Abführung und geeignete Anschlüsse mit Prozessmedien führenden Leitungen in der Brennstoff- oder Elektrolysezelle verbunden. Besonders hohe Anforderungen werden dabei zunächst an die in der Bipolarplatte zur Verwendung kommenden Materialien gestellt, die unter den häufig sehr aggressiven Umgebungsbedingungen eine hohe Lebensdauer für die Brennstoff- oder Elektrolysezelle gewährleisten müssen. Ferner müssen Bipolarplatten hinsichtlich ihrer äußeren Geometrie möglichst präzise herstellbar sein, um den für einen effizienten Betrieb der Brennstoff bzw. Elektrolysezelle einzuhaltenden Toleranzen gerecht zu werden. Eine auch nur geringfügig von der Soll-Form abweichende Geometrie der Bipolarplatte kann nämlich zu einer Stauchung der empfindlichen und vergleichsweise dünnen Gasverteilungsstruktur einer angrenzenden MEE oder zu einem verschlechterten elektrischen Kontakt mit der MEE führen. Bipolarplatten werden im Stand der Technik daher zumeist noch aus einer einzigen Materialkomposition hergestellt. Hierbei kommt teurer Kohlenstoff (Graphit) zur Verwendung, der mit einem Kunststoffbinder vermischt ist und in einem geeigneten Produktionsverfahren (Fräsen, Pressen, Spritzguss) in die gewünschte Form gebracht wird. Darüber hinaus wurden auch metallische Bipolarplatten entwickelt, die aufgrund ihrer höheren Leitfähigkeit deutliche Vorteile haben und mechanisch stabiler als Kohlenstoff sind. Ferner können aus Metall dünnere und leichtere Bipolarplatten gefertigt werden. Auch diese sind in der Herstellung jedoch vergleichsweise teuer und nur mit großem Aufwand in der erforderlichen Präzision herstellbar. Die Auswahl an geeigneten Materialien für Bipolarplatten ist nicht besonders groß. Solche Materialien müssen zum einen eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, um eine möglichst widerstandsarme leitfähige Verbindung zwischen den der Bipolarplatte von verschiedenen Stirnseiten anliegenden Membran-Elektroden-Einheiten zu garantieren, und zum anderen die Umgebungsbedingungen in der Brennstoff- oder Elektrolysezelle tolerieren.Such bipolar plates are sandwiched between two membrane electrode units (MEU) of a fuel or electrolysis cell. In a central area of the channel structure present on the two end faces of a bipolar plate, a so-called flow field is usually formed, in which the process media to the active area of the neighboring MEU through a comparatively dense arrangement of the channels, which often run in meander shape are supplied or removed from this. The channel structure is connected to lines carrying process media in the fuel or electrolysis cell via a suitable inlet and outlet and suitable connections. Particularly high requirements are initially placed on the materials used in the bipolar plate, which must ensure a long service life for the fuel or electrolysis cell under the often very aggressive environmental conditions. Furthermore, bipolar plates must be able to be manufactured as precisely as possible with regard to their external geometry, in order to meet the tolerances that must be maintained for efficient operation of the fuel or electrolytic cell. A geometry of the bipolar plate that deviates even slightly from the desired shape can namely result in a compression of the sensitive and comparatively thin gas distribution structure an adjacent MEU or lead to a deteriorated electrical contact with the MEU. In the prior art, bipolar plates are therefore mostly still made from a single material composition. Here, expensive carbon (graphite) is used, which is mixed with a plastic binder and brought into the desired shape in a suitable production process (milling, pressing, injection molding). In addition, metallic bipolar plates have also been developed which, due to their higher conductivity, have clear advantages and are mechanically more stable than carbon. Furthermore, thinner and lighter bipolar plates can be manufactured from metal. However, these too are comparatively expensive to produce and can only be produced with the required precision with great effort. The selection of suitable materials for bipolar plates is not particularly large. Such materials must, on the one hand, have a high electrical conductivity in order to guarantee a conductive connection with as little resistance as possible between the membrane-electrode units adjacent to the bipolar plate from different end faces, and on the other hand, tolerate the ambient conditions in the fuel or electrolysis cell.

Eine in der US 6,071,635 A beschriebenen Ausführungsvariante von Bipolarplatten für Brennstoffzellen besteht aus einer metallischen Struktur in Form eines unter Ausbildung von Höhen und Senken umgeformten Metallblechs. Die zum Transport der Prozessmedien in der Brennstoffzelle dienende Kanalstruktur wird dabei teils durch das Metallblech begrenzt, wodurch die Geometrie der auf beiden Stirnseiten auszubildenden Kanalstruktur zumindest teilweise durch die Geometrie des umgeformten Metallblechs vorgegeben ist. Dies führt sowohl im Bereich des Flussfeldes als auch an den Zu- und Abführungen der Kanalstruktur zu erheblichen konstruktiven Einschränkungen in der für die Kanalstruktur vorgebbaren Geometrie.One in the U.S. 6,071,635 A The embodiment variant described for bipolar plates for fuel cells consists of a metallic structure in the form of a metal sheet which is formed with heights and depressions. The channel structure used to transport the process media in the fuel cell is partially limited by the sheet metal, so that the geometry of the channel structure to be formed on both end faces is at least partially predetermined by the geometry of the formed sheet metal. Both in the area of the flow field and at the inlets and outlets of the channel structure, this leads to considerable design restrictions in the geometry that can be specified for the channel structure.

Für die Kanalstruktur auf der einen Stirnseite steht dabei gewissermaßen nur die Negativform der anderen Stirnseite zur Verfügung. Darüber hinaus sind Umformwerkzeuge und Umformverfahren zur Erzeugung der erforderlichen Präzision, unter Einhaltung extrem kleiner Toleranzen, bei einer solchermaßen geformten metallischen Struktur besonders aufwändig und teuer.To a certain extent, only the negative shape of the other end face is available for the channel structure on one end face. In addition, forming tools and forming processes for generating the required precision, while maintaining extremely small tolerances, are particularly complex and expensive with a metallic structure shaped in this way.

Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine neuartiges Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Bipolarplatten für Brennstoff- oder Elektrolysezellen bereit zu stellen, die unter Sicherstellung einer möglichst guten elektrischen Leitfähigkeit und einer hohen Lebensdauer möglichst einfach und kostengünstig herzustellen ist.Against this background, it is the object of the present invention to provide a novel method and a device for the production of bipolar plates for fuel or electrolysis cells, which can be produced as simply and inexpensively as possible while ensuring the best possible electrical conductivity and a long service life.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Bearbeitung von Werkstücken, insbesondere Prägewerkmatrizen oder Prägewerkzeugen für Bipolarplatten und/oder Bipolarplatten für Brennstoff- oder Elektrolysezellen, mit zu bearbeitenden Oberflächen nach dem ECM oder PECM Abtragverfahren zu beschleunigen und zu präzisieren.The object of the invention is to accelerate and specify the processing of workpieces, in particular embossing tool matrices or embossing tools for bipolar plates and / or bipolar plates for fuel or electrolysis cells, with surfaces to be processed according to the ECM or PECM removal method.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 5. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung betrifft die berührungsfreie, thermisch neutrale, gratfreie Abbildung von Strukturen jeglicher Art in eine vorab in der Oberfläche fertigbearbeitete und gehärtete Prägewerkmatrizen für Bipolarplatten (BPP) mittels ECM oder PECM wobei zwischen den als Anode dienenden Werkstücken und mindestens einer als Kathode dienenden Elektrode eine Potentialdifferenz aufgebaut wird und wobei über einen Elektrolyten ein Materialabtrag erfolgt, wobei mit mindestens einer Elektrode oder mit mindestens einem Elektrodensegment die Bearbeitung von Strukturen in die vorab präzise vorbereitete gehärtete Oberflächen der Prägematrizen erfolgt.This object is achieved with a device according to claim 1 or claim 5. Advantageous further developments are the subject of the dependent claims. The invention relates to the contact-free, thermally neutral, burr-free imaging of structures of any kind in a previously finished and hardened embossing tool matrices for bipolar plates (BPP) using ECM or PECM, with a potential difference between the workpieces serving as anode and at least one electrode serving as cathode is built up and where material is removed via an electrolyte, with at least one electrode or with at least one electrode segment processing of structures in the previously precisely prepared hardened surfaces of the embossing dies.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird durch den Materialabtrag eine Struktur, Kontur und/oder ein Profil in die Werkstückoberfläche eingebracht.According to an advantageous embodiment of the invention, a structure, contour and / or profile is introduced into the workpiece surface by removing material.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass das Werkstück unten angeordnet ist (Anode +) und die als Werkzeug dienende Elektrode (Kathode -) von oben in das Werkstück eingreift. Klassische Bearbeitung. Dass Werkstück ist während der Dauer der Bearbeitung deutlich länger dem Elektrolyt ausgesetzt (erhöhte Rostgefahr).Another embodiment provides that the workpiece is arranged at the bottom (anode +) and the electrode (cathode -) serving as a tool engages the workpiece from above. Classic processing. The workpiece is exposed to the electrolyte significantly longer during the machining process (increased risk of rust).

Eine bedeutungsvolle Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt, dass das Werkstück oben angeordnet ist (Anode +) und die als Werkzeug dienende Elektrode (Kathode -) von unten in das Werkstück eingreift. Vorteil dieser Lösung ist, dass der Elektrolyt während der Bearbeitung deutlich weniger mit dem Werkstück in Berührung kommt. Somit entsteht eine geringere Rostgefahr für das Werkstück.A significant embodiment of the device according to the invention shows that the workpiece is arranged at the top (anode +) and the electrode (cathode -) serving as a tool engages the workpiece from below. The advantage of this solution is that the electrolyte comes into significantly less contact with the workpiece during machining. This means that there is less risk of rusting the workpiece.

Zu erwähnen ist, dass die mittels PECM zu bearbeitende Kontur direkt eingebracht wird. Dabei kann das Werkzeug oben oder unten angeordnet sein (Kathode -).
Eine direkte PECM Bearbeitung ist abhängig von Genauigkeits- und Taktzeitforderungen.It should be mentioned that the contour to be machined using PECM is introduced directly. The tool can be arranged above or below (cathode -).
Direct PECM processing is dependent on accuracy and cycle time requirements.

Die mittels PECM zu bearbeitende Kontur kann in Kombination mit einem weiteren Prozess (Hybrid) eingebracht werden. Dabei kann das Werkzeug oben oder unten angeordnet sein (Kathode -). Im Falle der Bearbeitung mit einem Hybrid Prozess (PECM zzgl. weiteren Prozess) kann PECM sowohl als finale Struktur- oder Konturgebung als auch vorgeschaltete Schruppbearbeitung zum Einsatz kommen.The contour to be processed using PECM can be introduced in combination with another process (hybrid). The tool can be arranged above or below (cathode -). In the case of processing with a hybrid process (PECM plus additional process), PECM can be used for the final structure or contouring as well as upstream roughing.

Die PECM Bearbeitung der Struktur, Kontur und/oder dem Profil kann neben Prägematrizen, Prägewerkmatrizen und/oder Prägewerkzeugen für die Herstellung von Bipolarplatten auch für Aufnahmen für die präzise Positionierung von BBP vor einem Laserschweißprozess angewendet werden.The PECM processing of the structure, contour and / or the profile can be used in addition to embossing dies, embossing tool matrices and / or embossing tools for the production of bipolar plates also for receptacles for the precise positioning of BBP before a laser welding process.

Die beschleunigte und präzise Oberflächenbearbeitung wird durch das BearbeitungsVerfahren mittels elektro-chemischem Abtragverfahren (ECM) erreicht, welches besonders effizient und damit mit geringen Bearbeitungszeiten auskommt, indem - entweder während der Bearbeitung der Abstand zwischen Werkzeug und Werkstück abwechselnd mittels Vibration größer und kleiner wird, insbesondere mittels Vibration des Werkzeuges, (PECM) und/oder - die Spannungs-Beaufschlagung oder Strombeaufschlagung des Werkzeuges pulsiert. Beide Maßnahmen, sowohl einzeln als auch in Kombination, beschleunigen den gewünschten Materialabtrag erheblich, so dass die Oberflächenstrukturierung mit Hilfe dieser Verfahren deutlich schneller vor sich geht als mit konkurrierenden Verfahren.Accelerated and precise surface processing is achieved by the processing method using electro-chemical removal processes (ECM), which is particularly efficient and therefore requires short processing times, either by increasing and decreasing the distance between tool and workpiece alternately during processing by means of vibration, in particular by means of vibration of the tool (PECM) and / or - the application of voltage or current to the tool pulsates. Both measures, both individually and in combination, accelerate the desired material removal considerably, so that the surface structuring with the help of these processes is much faster than with competing processes.

Dabei hatte sich erwiesen, dass es besonders vorteilhaft ist, wenn die Abstandsvibration mit einer Frequenz von 0-100 Hz, besser 0,0001-90 Hz, besser 5-70 Hz, besser 10-50 Hz durchgeführt wird und/oder die Strom-Pulsation mit einer Pulsdauer von 1 bis 10 ms, besser von 2-4 ms durchgeführt wird und mit Pausen zwischen den einzelnen Pulsen, die so kurz wie möglich sind, jedoch mindestens der Pulsdauer entsprechen. Bei Kombination von Vibration und Pulsation werden die Pulse im Zustand der größten Annäherung zwischen Werkzeug und Werkstück aufgebracht. Die Vibration bzw. mechanische Oszillation des Werkzeuges kann unabhängig von der Pulstechnik eingesetzt werden, wobei die mechanische Oszillation des Werkzeuges mit einer Gleichstrom-Beaufschlagung des Werkzeuges oder mit einem Pulsbetrieb (pulsierende Strom-Beaufschlagung) des Werkzeuges kombiniert werden kann. Das Anlegen des Potential mit Gleichstrom kann bis zu einer Pulsdauer bis unter 0,5ms, besser 0,3-6ms, besser 0,5-10ms, erfolgen und/oder das Anlegen des Potential mit Gleichstrom mit Pausenzeiten kann bis unter 0,5ms, besser mit Pausenzeiten von 0,001-0,5ms, erfolgen.It has been shown that it is particularly advantageous if the distance vibration is carried out at a frequency of 0-100 Hz, better 0.0001-90 Hz, better 5-70 Hz, better 10-50 Hz and / or the current Pulsation is carried out with a pulse duration of 1 to 10 ms, better of 2-4 ms and with pauses between the individual pulses that are as short as possible, but at least correspond to the pulse duration. With a combination of vibration and pulsation, the pulses are applied in the state of closest proximity between the tool and the workpiece. The vibration or mechanical oscillation of the tool can be used independently of the pulse technology, whereby the mechanical oscillation of the tool can be combined with direct current application of the tool or with pulsed operation (pulsating current application) of the tool. The potential can be applied with direct current up to a pulse duration of less than 0.5 ms, better 0.3-6 ms, better 0.5-10 ms, and / or the potential can be applied with direct current with pause times up to less than 0.5 ms, better with pause times of 0.001-0.5ms.

Die Bearbeitung mittels ECM oder PECM kann sowohl die flächige Bearbeitung der Oberfläche des Prägewerkzeugs und/oder der Bipolarplatte umfassen als auch das Einbringen von vielen mikroskopisch kleinen Vertiefungen in die Oberfläche oder auch beide Arbeitsschritte gemeinsam. Für das Einbringen von Vertiefungen in die Oberfläche des Prägewerkzeugs und/oder der Bipolarplatte kann während der Bearbeitung das Werkzeug zumindest in Umfangsrichtung des Prägewerkzeugs und/oder der Bipolarplatte stillstehen, damit die dafür notwendigen Erhebungen auf der Wirkfläche des Werkzeuges nicht noch kleiner ausfallen müssen als die damit herzustellenden Vertiefungen.Processing by means of ECM or PECM can include both the two-dimensional processing of the surface of the embossing tool and / or the bipolar plate and the making of many microscopic depressions in the surface or both work steps together. For the creation of depressions in the surface of the embossing tool and / or the bipolar plate, the tool can stand still during the machining at least in the circumferential direction of the embossing tool and / or the bipolar plate, so that the necessary elevations on the effective surface of the tool do not have to be even smaller than the with it to be produced wells.

Eine flächige Bearbeitung kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen: Entweder kann die Wirkfläche des Werkzeuges zur Oberfläche des Prägewerkzeugs und/oder der Bipolarplatte einen ausreichenden Abstand einnehmen, so dass eine eventuell vorhandene Strukturierung des Werkzeuges nicht mehr auf dem Werkstück abgebildet wird, denn die Abbildungsschärfe wird umso niedriger, je größer dieser Abstand ist und verliert sich irgendwann vollständig.Two-dimensional machining can be done in different ways: Either the effective surface of the tool can be at a sufficient distance from the surface of the embossing tool and / or the bipolar plate, so that any structuring of the tool is no longer shown on the workpiece, because the image sharpness becomes lower, the larger this distance is and at some point it is completely lost.

Die andere Möglichkeit besteht darin, das Werkzeug insbesondere in Umfangsrichtung, gegebenenfalls auch axial, relativ zum Werkstück zu bewegen, insbesondere mit einem Vorschub von 0,05-2 mm/min, besser mit einem Vorschub von 0,1-1 mm/min, weiter vorzugsweise mit einem Vorschub von 0,1 - 0,2 mm/min, wodurch auch der Einfluss von Erhebungen auf der Wirkfläche des Werkzeuges eliminiert wird und eine Oberfläche zunächst ohne Vertiefungen auf das Prägewerkzeug und/oder der Bipolarplatte erzielt werden kann.The other possibility is to move the tool relative to the workpiece, especially in the circumferential direction, possibly also axially, in particular with a feed rate of 0.05-2 mm / min, better with a feed rate of 0.1-1 mm / min, further preferably with a feed rate of 0.1-0.2 mm / min, which also eliminates the influence of elevations on the effective surface of the tool and a surface can initially be achieved without depressions on the embossing tool and / or the bipolar plate.

Durch eine solche flächige Bearbeitung als Vorbehandlung für das Einbringen der Strukturierung, also der Vertiefungen, spricht, dass damit sowohl die Rauigkeit eingestellt werden kann als auch Maßungenauigkeiten behoben werden können und dadurch bisher übliche Feinbearbeitungsschritte an dem Prägewerkzeug und/oder an der Bipolarplatte entfallen können. Dabei wird ein Materialabtrag von maximal 30 µm, besser nur 20 µm, besser nur 10 µm, insbesondere aber von mindestens 2 µm durchgeführt, der sowohl zum Beheben von Maßungenauigkeiten als auch von Formungenauigkeiten ausreichend ist. Durch die Mindestmaterialabnahme ist sichergestellt, dass keine Flächenbereiche unbearbeitet bleiben.Such a two-dimensional processing as a pretreatment for the introduction of the structuring, i.e. the depressions, speaks that both the roughness can be adjusted and dimensional inaccuracies can be eliminated and thus the fine processing steps on the embossing tool and / or on the bipolar plate that have been customary up to now can be omitted. A material removal of a maximum of 30 µm, better only 20 µm, better only 10 µm, but in particular at least 2 µm, is carried out, which is sufficient to remove dimensional inaccuracies as well as shape inaccuracies. The minimum material purchase ensures that no surface areas remain unprocessed.

Da wie erwähnt zum Verändern der Abbildungs-Schärfe der Oberflächenstruktur des Werkzeuges auf dem Werkstück der Abstand zwischen Werkzeug und Werkstück verändert wird, insbesondere bei einem vibrierenden Abstand der geringste Abstand während der Vibration verändert wird in Abhängigkeit der gewünschten Abbildungs-Schärfe, wird in der Regel zum Einbringen der Vertiefungen der Abstand so gering wie möglich gewählt, da nur hierdurch sichergestellt wird, dass die Vertiefungen etwa ebenso klein sind wie die entsprechenden Erhebungen am Werkzeug. Als sehr effektiven Kompromiss hat sich erwiesen, dass das Werkzeug in einem Abstand von 5 µm bis 400 µm, besser in einem Abstand von 10 µm bis 100 µm, zur Oberfläche der Lagerstelle gehalten wird. Dabei kann sogar eine flächige Bearbeitung der gesamten Oberfläche und ein Einbringen von Vertiefungen in einem Arbeitsgang durchgeführt werden.Since, as mentioned, the distance between the tool and the workpiece is changed in order to change the sharpness of the image of the surface structure of the tool on the workpiece, in particular with a vibrating distance the smallest distance is changed during the vibration depending on the desired sharpness of the image, as a rule for making the depressions, the distance is chosen to be as small as possible, since this is the only way to ensure that the depressions are approximately as small as the corresponding elevations on the tool. It has proven to be a very effective compromise that the tool in a Distance of 5 µm to 400 µm, better at a distance of 10 µm to 100 µm, to the surface of the bearing point is kept. In this case, the entire surface can even be machined and recesses can be made in one operation.

Durch die erfindungsgemäßen Möglichkeiten der Feinbearbeitung lässt sich auch eine sehr effiziente, gegebenenfalls verkürzte, Prozesskette zur Fertigbearbeitung von Prägewerkzeugen und/oder Bipolarplatten erreichen: Bevorzugt wird nämlich die Bearbeitung mittels elektrochemischem Abtragverfahren unmittelbar nach der spanenden Bearbeitung mit bestimmter Schneide durchgeführt und weitere Feinbearbeitungsschritte, wie etwa das Schleifen, vermieden. Gegebenenfalls kann dazwischen ein Fein-Trockenschleifen durchgeführt werden, um unter anderem die für Prägewerkzeuge und/oder Bipolarplatten gewünschte funktionale Rauheit herzustellen. Danach sollte insbesondere kein weiterer Bearbeitungsschritt mehr erfolgen, sondern das Prägewerkzeug und/oder die Bipolarplatte ist dann einsatzfertig. Falls ein Härten der Oberfläche des Prägewerkzeugs und/oder der Bipolarplatte oder Beschichten mit einer Hartschicht gewünscht ist, wird dies vor dem elektro-chemischem Abtragverfahren durchgeführt, insbesondere unmittelbar davor. Das Bearbeiten mittels elektrochemischem Abtragverfahren unmittelbar nach der spanenden Bearbeitung mit bestimmter Schneide wird auf eine Genauigkeit von +/- 50 µm, vorzugsweise maximal auf eine Genauigkeit von 10 µm, bei der Tiefentoleranz durchgeführt.The fine machining options according to the invention also enable a very efficient, possibly shortened, process chain for the finishing of embossing tools and / or bipolar plates to be achieved: Machining by means of electrochemical removal processes is preferably carried out immediately after machining with a certain cutting edge and further fine machining steps, such as the grinding, avoided. If necessary, fine-dry grinding can be carried out in between in order to produce, among other things, the functional roughness desired for embossing tools and / or bipolar plates. Thereafter, in particular, no further processing step should take place, but the embossing tool and / or the bipolar plate is then ready for use. If hardening of the surface of the embossing tool and / or the bipolar plate or coating with a hard layer is desired, this is carried out before the electrochemical removal process, in particular immediately before it. Machining by means of electrochemical removal processes immediately after machining with a specific cutting edge is carried out to an accuracy of +/- 50 µm, preferably to a maximum of 10 µm, with the depth tolerance.

Eine Maschine zum Bearbeiten von Prägewerkzeugen und/oder Bipolarplatten mittels elektro-chemischem Abtragverfahren sollte bevorzugt eine Maschine mit Achsanordnung und Werkstückspindelanordnung wie bei einer Drehmaschine und mit gesteuerter C-Achse sein und insbesondere wenigstens eine ECM- oder PECM-Werkzeugeinheit aufweisen, die in allen drei Raumrichtungen bewegbar ist. Wobei die Spindel und/oder die Maschinenachsen, die in allen drei Raumrichtungen bewegbar und/oder antreibbar sind, sowohl zur Aufnahme des Werkzeugs als auch zur Aufnahme des zu bearbeitenden Werkstücks dienen können.A machine for processing embossing tools and / or bipolar plates by means of electrochemical removal processes should preferably be a machine with an axis arrangement and workpiece spindle arrangement as in a lathe and with a controlled C-axis and in particular have at least one ECM or PECM tool unit, which in all three Spatial directions is movable. The spindle and / or the machine axes, which can be moved and / or driven in all three spatial directions, can serve both to hold the tool and to hold the workpiece to be machined.

Alle beschriebenen Anwendungsmöglichkeiten gelten sowohl für die Einbringung von Konturen in Prägewerkzeuge die für die Herstellung von Bipolarplatten (BPP) dienen als auch für Bearbeitung von BBP direkt als Serienteile. Darüber hinaus ist es auch möglich mit dem PECM Verfahren auch Konturen in Aufnahmen, z.B. zur Positionierung von BPP zum Laserschweißen, etc. zu bearbeiten.All of the possible applications described apply both to the introduction of contours in embossing tools that are used for the production of bipolar plates (BPP) and to the machining of BBP directly as series parts. In addition, it is also possible to use the PECM method to process contours in recordings, e.g. for positioning BPP for laser welding, etc.

Im Folgenden wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments.

In den schematischen Figuren wurde auf die Darstellung des Elektrolyten zwischen Elektrode und Werkstück verzichtet.In the schematic figures, the electrolyte between the electrode and the workpiece is not shown.

Es zeigen:

1 und 2: eine Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken wie Prägewerkzeugen und/oder Bipolarplatten

Show it:

1 and 2 : a device for processing workpieces such as embossing tools and / or bipolar plates

In 1 ist ein Werkstück 3 in oder auf einer nicht näher dargestellten Werkstückaufnahme abgelegt. Als Werkstück 3 soll eine Bipolarplatte oder ein Prägewerkzeug zur Herstellung einer Bipolarplatte bearbeitet werden. Das Werkstück 3 wird in oder auf der Werkstückaufnahme lagerichtig fixiert. Die Darstellung in 2 zeigt die Vorrichtung während der Bearbeitung. Die wenigstens eine Elektrode 1, 6 zur Bearbeitung der Werkstückoberfläche 4 wird auf das Werkstück 3 abgesenkt oder in die unmittelbare Nähe der Werkstückoberfläche 4 verbracht. Die Elektrode 1, 6 kann aus mindestens einem Segment oder mehrteilig zur Bearbeitung der Werkstückoberfläche 4 aufgebaut sein. Auf der Werkstückoberfläche wird durch Materialabtrag ein Bearbeitungsaufmaß abgetragen und/oder eine Kontur oder ein Profil erzeugt. Vorteilhaft kann die Werkstückoberfläche 4 mit der wenigstens einen Elektrode 1 gleichzeitig in einer Werkstückaufspannung bearbeitet werden. Damit ist zusätzlich zur Verkürzung der Zykluszeiten eine höchst präzise Werkstückbearbeitung möglich.In 1 is a workpiece 3 stored in or on a workpiece holder not shown in detail. As a workpiece 3 a bipolar plate or an embossing tool is to be processed to produce a bipolar plate. The workpiece 3 is fixed in the correct position in or on the workpiece holder. The representation in 2 shows the device during processing. The at least one electrode 1 , 6th for processing the workpiece surface 4th is on the workpiece 3 lowered or in the immediate vicinity of the workpiece surface 4th spent. The electrode 1 , 6th can consist of at least one segment or several parts for machining the workpiece surface 4th be constructed. A machining allowance is removed from the workpiece surface by material removal and / or a contour or profile is generated. The workpiece surface can be advantageous 4th with the at least one electrode 1 can be machined simultaneously in one workpiece clamping. In addition to shortening cycle times, this enables extremely precise workpiece machining.

Die Elektrodensegmente 1, 6 können in einer Zustellrichtung 7 zum Werkstück 3 zustellbar sein, wobei sowohl das Elektrodensegment 1 als auch das Elektrodensegment 6 parallel zur Zustellrichtung 11 ausgerichtet sind.The electrode segments 1 , 6th can in one delivery direction 7th to the workpiece 3 be deliverable, both the electrode segment 1 as well as the electrode segment 6th parallel to the infeed direction 11 are aligned.

Die Elektrodensegmente 1, 6 können in Zustellrichtung 11 hintereinander angeordnet sein, wobei mit den Elektrodensegmenten 1, 6 eine Werkstückoberfläche und/oder ein Profil auf Fertigmaß herstellbar ist.The electrode segments 1 , 6th can in the delivery direction 11 be arranged one behind the other, with the electrode segments 1 , 6th a workpiece surface and / or a profile can be produced to a finished size.

In 2 ist zunächst das - an sich bekannte - Funktionsprinzip des elektro-chemischen Abtragverfahrens (ECM) auch in seiner pulsierenden Form (PECM), dargestellt: Zwischen einem Werkzeug in Form der Elektrode 1 und dem Werkstück 3 - insbesondere dem Prägewerkzeug und/oder der Bipolarplatte - aus einem elektrisch leitenden Material fließt ein Strom, indem der Spalt 5 dazwischen von einem elektrisch leitfähigen Fluid, dem Elektrolyt 2, gefüllt ist. Dadurch wandern Elektronen von der negativ geladenen Elektrode 1 zum positiv geladenen Werkstück 3 und positiv geladene Metall-Ionen aus dem Metall des Werkstückes 3 in Gegenrichtung, wodurch ein Materialabtrag an der Oberfläche 4 des Werkstückes 3 bewirkt wird, wobei eine Kontur oder ein Profil in der Oberfläche 4 des Werkstückes 3 erzeugt wird. Wenn die dem Werkstück 3 zugewandte Wirkfläche des Werkzeuges 1 dreidimensional konturiert ist, zum Beispiel Erhebungen aufweist, wird sich diese Kontur in der gegenüberliegenden Oberfläche des Werkstückes 3 abbilden, wenn der Spalt 2, also der Abstand zwischen Werkzeug 1 und Werkstück 3, klein genug ist und die Zeitdauer für einen ausreichenden Abtrag von Material aus der Oberfläche 4 des Werkstückes 3 ausreicht. Denn die Größe des Materialabtrages hängt nicht nur von der Stärke des Stromflusses ab, sondern eben auch von dem Abstand 5 zwischen Werkzeug und Werkstück, was der Grund ist, dass bei Annäherung im Bereich der Erhebungen ein partiell stärkerer Materialabtrag am Werkstück 3 stattfindet, und dadurch sich die Oberflächen-Gestaltung des Werkzeugs 1 in der Oberfläche des Werkstückes 3 abbildet. Wesentlich ist dabei, dass eine ausreichende Durchströmung des Spaltes 5 mit Elektrolyt 2 stattfindet, denn dies stellt nicht nur den Stromfluss zwischen Werkzeug 1 und Werkstück 3 sicher, sondern führt auch die aus der Oberfläche des Werkstückes 3 herausgelösten Metallionen und Partikel ab, so dass im Spalt 5 nach Möglichkeit immer ein möglichst wenig verunreinigtes Elektrolyt 2 zur Führung stehen sollte. Es hat sich herausgestellt, dass statt einer kontinuierlichen Annäherung der Elektrode 1 an das Werkstück 3 eine pulsierende Annäherung einen schnelleren Materialabtrag am Werkstück 3 ergibt, offensichtlich da immer nach einer starken Annäherung und damit einem starken Elektronen- und Ionen-Fluss unmittelbar danach aus dem Spalt 5 die Reaktionsprodukte schnell wieder entfernt werden. Aus diesem Grund ist die Elektrode 1 - nicht näher dargestellt - an einem Vibrator befestigt, der meist feder-unterstützt ist, und der eine Vibration von zum Beispiel 10-50 Hz durchführt, und zwar mit einer Amplitude in Form zum Beispiel des Abstandes 5 (Maß des Spaltes 5), der so gewählt ist, dass im maximal entfernten Zustand kaum oder nur noch geringer Materialabtrag stattfindet. Eine gute Durchspülung des Spaltes 5 mit dem Elektrolyt 2 muss stattfinden, welches dementsprechend auch mit ausreichendem Druck zugeführt werden muss, meist - nicht näher dargestellt - über eine Bohrung oder mehrere Bohrungen, zum Beispiel im Zentrum der Elektrode 1.In 2 First of all, the functional principle of the electro-chemical removal process (ECM), also known in itself, is shown in its pulsating form (PECM): between a tool in the form of the electrode 1 and the workpiece 3 - in particular the embossing tool and / or the bipolar plate - a current flows from an electrically conductive material through the gap 5 between an electrically conductive fluid, the electrolyte 2 , is filled. This causes electrons to migrate from the negatively charged electrode 1 to the positively charged workpiece 3 and positively charged metal ions from the metal of the workpiece 3 in the opposite direction, causing material to be removed from the surface 4th of the workpiece 3 is effected, with a contour or a profile in the surface 4th of the workpiece 3 is produced. If the the workpiece 3 facing effective surface of the tool 1 is three-dimensionally contoured, for example has elevations, this contour will be in the opposite surface of the workpiece 3 map if the gap 2 , i.e. the distance between tools 1 and workpiece 3 , is small enough and the length of time for sufficient removal of material from the surface 4th of the workpiece 3 sufficient. Because the amount of material removed depends not only on the strength of the current flow, but also on the distance 5 between tool and workpiece, which is the reason that when approaching in the area of the elevations, a partially stronger material removal on the workpiece 3 takes place, and thereby the surface design of the tool 1 in the surface of the workpiece 3 maps. It is essential that there is sufficient flow through the gap 5 with electrolyte 2 takes place, because this not only ensures the flow of current between the tool 1 and workpiece 3 safe, but also performs the from the surface of the workpiece 3 detached metal ions and particles, so that in the gap 5 if possible, always use an electrolyte with as little contamination as possible 2 should stand for leadership. It has been found that instead of a continuous approach of the electrode 1 to the workpiece 3 a pulsating approach results in faster material removal from the workpiece 3 results, obviously there always after a strong approach and thus a strong flow of electrons and ions immediately afterwards from the gap 5 the reaction products are quickly removed. Because of this, the electrode is 1 - not shown in detail - attached to a vibrator, which is usually spring-supported, and which performs a vibration of 10-50 Hz, for example, with an amplitude in the form of, for example, the distance 5 (Measure of the gap 5 ), which is chosen so that in the maximally removed state there is little or no material removal. A good rinsing of the gap 5 with the electrolyte 2 must take place, which accordingly also has to be supplied with sufficient pressure, mostly - not shown in detail - via a hole or several holes, for example in the center of the electrode 1 .

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 102009032563 A1 [0006]
US 6071635 A [0009]

Claims

Device for the electrochemical processing of electrically conductive workpieces (3), in particular stamping dies or stamping, forming or rolling tools, a potential difference being built up between the workpieces (3) serving as anode and at least one electrode (1) serving as cathode, and where Material is removed via an electrolyte (2), whereby a structure, contour and / or profile can be introduced into the workpiece surface (4) through the material removal, the workpiece (3) being arranged at the bottom and the electrode (1) serving as a tool engages in the workpiece (3) from above.

Device according to Claim 1 , characterized in that the contour to be processed by means of ECM or PECM is introduced directly.

Device according to one of the Claims 1 or 2 , characterized in that the structure, contour and / or profile to be processed by means of ECM or PECM is introduced in combination with a further process, the PECM process being usable both as a final structure or contouring and as an upstream roughing process.

Device according to one of the preceding claims, wherein the device is designed as a machine tool for processing an embossing tool by means of an electrochemical removal process, characterized in that an axis arrangement and workpiece-spindle arrangement are provided, with a controlled C-axis being provided and in particular the tool ( 1) is arranged in a tool unit which can be moved in all three spatial directions and / or the tool unit comprises two or more etching tools (1) or electrodes (1) distributed over the geometric extent of the embossing tool, which can be adjusted synchronously or independently of one another. and / or are movable.

Device for the electrochemical processing of electrically conductive workpieces (3) such as stamping dies or stamping, forming or rolling tools for bipolar plates for fuel or electrolysis cells, with a Potential difference is built up and material is removed via an electrolyte (2), whereby a structure, contour and / or profile can be introduced into the workpiece surface (4) through the material removal.

Device according to Claim 5 , characterized in that during the electrochemical machining the distance between tool (1) and workpiece (3) is alternately larger and smaller by means of vibration (8), in particular by means of vibration of the tool (1, 6), and / or the application of voltage or the application of current to the tool (1, 6) can be pulsed.

Device according to Claim 5 or 6th , characterized in that - the vibration can be carried out with a frequency of 0-100, better 0.0001-90, better 5-70, better 10-50 Hz and / or - the pulses with a pulse duration of 0.3 to 10 ms, better of 2-4 ms, and - either with pauses between the individual pulses that are as short as possible, but at least correspond to the pulse duration - or with an electrical pulse always at the time of closest approach between tool (1) and Workpiece (3) if there is vibration at the same time.

Device according to one of the Claims 5 until 7th , characterized in that a mechanical oscillation of the tool (1) is used independently of the pulse technology, the mechanical oscillation of the tool (1) with a direct current application of the tool (1) or with a pulsed operation (pulsating current application) of the Tool (1) can be combined.

Device according to one of the Claims 5 until 8th , characterized in that - the potential is applied with direct current up to a pulse duration of less than 0.5 ms, better 0.3-6 ms, better 0.5-1 0 ms, and / or - the potential is applied with direct current with pauses to less than 0.5 ms, better with pause times of 0.001-0.5 ms.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the machining is carried out by means of an electrochemical removal process immediately after the machining process, after which in particular no further material removal takes place, and / or that before the ECM treatment, the surface of the embossing, Forming or rolling tool and / or the embossing die is hardened at least in some areas or is provided with an electrically conductive hard coating.