DE60104890T2

DE60104890T2 - Rotationsmaschine und verfahren für die laminierung von anode und kathode einer elektrochemischen dünnschicht-anordnung

Info

Publication number: DE60104890T2
Application number: DE60104890T
Authority: DE
Inventors: J. Eric HANSON; R. John WHEELER; Alan Miller; B. David PRITCHARD; Donald Peterson; R. John JACOBSON; J. Jeffrey MISSLING; N. James DOBBS; C. David KRAMLICH
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2000-11-22
Filing date: 2001-04-23
Publication date: 2005-08-25
Anticipated expiration: 2021-04-24
Also published as: JP4885415B2; JP2004515040A; KR20030063386A; EP1340284A1; WO2002043179A1; US6585846B1; CA2429495A1; KR100768976B1; EP1340284B1; AU2001255598A1; ATE273569T1; DE60104890D1; CA2429495C

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Laminiervorrichtungen und -verfahren und insbesondere sich Rotationsumformungslaminiervorrichtungen und -verfahren.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Es sind verschiedene Laminiervorrichtungen und -verfahren entwickelt worden, um aus Folienmaterial konstruierte Produkte herzustellen. Viele herkömmliche Laminieransätze verwenden einen Schneidmechanismus, der eine Materialfolie in kleine Segmente schneidet. Die individuellen Segmente werden dann manuell oder mechanisch ausgerichtet und als Teil eines separaten Laminierungsprozesses geschichtet. Die geschichtete Struktur wird dann durch einen entsprechenden Krafterzeugungsmechanismus Laminierungskräften ausgesetzt.
Ungeachtet der Vielfalt an gegenwärtig verfügbaren herkömmlichen Laminierungs- und Stapelungsansätzen eignen sich viele derartige Ansätze nicht gut für Anwendungen, die relativ hohe Niveaus an Produktivität, Automatisierung und Flexibilität erfordern. Beispielsweise sind viele herkömmliche Laminierungsprozesse nicht in der Lage, variierende Materialarten, Foliengrößen und Folienformen zu berücksichtigen. Viele dieser verfügbaren Laminierungstechniken sind nicht gut geeignet oder anpaßbar, um mehrere Bahnen unterschiedlicher Materialien autonom und kontinuierlich zu laminieren, wie dies bei der Konstruktion beispielsweise von elektrochemischen Dünnfilm-Laminatstrukturen in der Regel erforderlich ist.
Es besteht ein Bedarf an einer verbesserten Vorrichtung und einem verbesserten Verfahren zum Laminieren von Filmen und Folienmaterialien variierender Arten, Farben, Formen und Größen. Es besteht ein besonderer Bedarf an einer verbesserten Vorrichtung und einem verbesserten Verfahren zum Laminieren von Schichten aus Materialien für elektrochemische Zellen und zum Herstellen elektrochemischer Elementarzellen zur Verwendung bei der Konstruktion von Dünnfilm-Festkörperbatterien. Die vorliegende Erfindung kommt diesem Bedarf und anderen nach.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung richtet sich im allgemeinen auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum drehbaren Schneiden und/oder Laminieren geschichteter Strukturen oder von Folienmaterial, die/das von Bahnen getragen werden/wird. Die vorliegende Erfindung richtet sich außerdem auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum drehbaren Schneiden geschichteter Strukturen oder von Folienmaterial, die/das von einer Bahn getragen werden/wird, und das Laminieren von geschnittenen geschichteten Strukturen/Folien auf anderes Bahnmaterial, so daß man zwischen benachbarten geschnittenen geschichteten Strukturen/Folien einen Abstand erhält. Zusätzliche strukturelle und Prozeßmerkmale der vorliegenden Erfindung stellen ferner ein Schneiden durch das andere Bahnmaterial, aber nicht völlig durch ein Trägermaterial der anderen Bahn, innerhalb des Abstands zwischen benachbarten geschnittenen geschichteten Strukturen/Folien bereit.
Im Kontext der Konstruktion einer elektrochemischen Zelle formt eine Rotationsumformungsvorrichtung und -verfahren der vorliegenden Erfindung eine eine Kathodenschichtstruktur aufweisende Bahn und eine eine Anodenschichtstruktur aufweisende Bahn in eine Reihe geschichteter elektrochemischer Zellenstrukturen um, die von einem Trennmaterial getragen werden. Der Einsatz eines Rotationsumformungsprozesses der vorliegenden Erfindung sorgt unter anderen Vorzügen für die Herstellung eines Produkts mit einer fertigen Größe ohne die Notwendigkeit für späteres oder anschließendes Schneiden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sorgen eine Vorrichtung und ein Verfahren für die Produktion einer Reihe elektrochemischer Dünnfilm-Elementarzellen. Eine Bahn (Kathodenbahn), die eine sich mit einer ersten Geschwindigkeit bewegende Kathodenschichtstruktur aufweist, wird in eine Reihe von Kathodenfolien geschnitten. Jede der Kathodenfolien wird mit einer zweiten Geschwindigkeit bewegt, die gleich der oder größer als die erste Geschwindigkeit ist. Jede der sich mit der zweiten Geschwindigkeit bewegenden Kathodenfolien wird auf eine Bahn (Anodenbahn) laminiert, die eine sich mit der zweiten Geschwindigkeit bewegende Anodenschichtstruktur aufweist, um eine laminierte Elementarzelle mit einem Raum zwischen benachbarten Kathodenfolien herzustellen. Die laminierte Anodenbahn wird innerhalb des Raums zwischen benachbarten Kathodenfolien geschnitten, um eine Reihe von Elementarzellenfolien herzustellen.
Bei einer besonderen Ausführungsform beinhaltet das Schneiden der Kathodenbahn das Schneiden eines Teils der Kathodenbahn und Entfernen überschüssiger Kathodenbahn. Bei dieser Ausführungsform ist der Raum zwischen benachbarten Kathodenfolien eine Funktion einer Größe und/oder einer Form der entfernten überschüssigen Kathodenbahn.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform beinhaltet das Schneiden der Kathodenbahn das drehbare Schneiden der Kathodenbahn, und das Laminieren jeder der Kathodenfolien auf die Anodenbahn beinhaltet das drehbare Bewegen jeder der Kathodenfolien mit der zweiten Geschwindigkeit. Das Laminieren jeder der Kathodenfolien auf die Anodenbahn kann außerdem das drehende Bewegen der Anodenbahn mit der zweiten Geschwindigkeit beinhalten. Die Anodenbahn kann weiterhin eine Trennschicht enthalten, und das Schneiden der laminierten Anodenbahn kann das Schneiden durch die Anodenschichtstruktur zumindest bis zu oder durch einen Teil der Trennschicht beinhalten.
Jede der Kathodenfolien kann durch eine Länge (L) definiert werden. Das Schneiden der Kathodenbahn kann unter Verwendung eines Rotationswerkzeugs erfolgen. In diesem Fall ist die Länge (L) jeder Kathodenfolie eine Funktion der ersten Geschwindigkeit (W1) der Kathodenbahnbewegung relativ zu der zweiten Geschwindigkeit (W2) des Rotationswerkzeugs.
Die Kathodenbahn kann unter Verwendung mindestens einer Rotationsklinge, die durch einen Umfangsklingenabstand (D) getrennt ist, geschnitten werden. Die Länge (L) jeder Kathodenfolie ist in diesem Fall eine Funktion der ersten Geschwindigkeit (W1) der Kathodenbahnbewegung relativ zu dem Umfangsklingenabstand (D) und der zweiten Geschwindigkeit (W2) des Rotationswerkzeugs. Beispielsweise kann die Länge (L) von allen Kathodenfolien gekennzeichnet werden durch eine Gleichung L = D(W1/W2).
Der Raum (S) zwischen benachbarten Kathodenfolien ist gemäß einer Ausführungsform eine Funktion der ersten Geschwindigkeit (W1) der Kathodenbahnbewegung relativ zu der zweiten Geschwindigkeit (W2) der Anodenbahnbewegung. Das Schneiden der Kathodenbahn kann beinhalten, daß die Kathodenbahn mit mindestens einer Rotationsklinge geschnitten wird, die durch einen Umfangsklingenabstand (D) getrennt ist, so daß der Abstand (S) zwischen benachbarten Kathodenfolien eine Funktion der ersten Geschwindigkeit (W1) der Kathodenbahnbewegung relativ zu dem Umfangsklingenabstand (D) und der zweiten Geschwindigkeit (W2) des Rotationswerkzeugs ist. Beispielsweise kann der Abstand (S) zwischen benachbarten Kathodenfolien gekennzeichnet werden durch eine Gleichung S = D((W2/W1) – 1).
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Kathodenfolien durch eine Länge (L) zwischen etwa 0,25 Inch und etwa 24 Inch definiert werden. Der Raum (S) zwischen benachbarten Kathodenfolien kann im Bereich zwischen etwa 0,015 Inch und etwa 0,4 Inch liegen. Ein Verhältnis der zweiten Geschwindigkeit bezüglich der ersten Geschwindigkeit kann im Bereich zwischen etwa 1,005 und etwa 1,05 liegen. Die erste Geschwindigkeit kann im Bereich zwischen etwa 5 Fuß pro Minute und etwa 500 Fuß pro Minute liegen, und die zweite Geschwindigkeit kann im Bereich zwischen etwa 5,025 Fuß pro Minute und etwa 525 Fuß pro Minute liegen.
Laminieren der Kathodenfolien auf die Anodenbahn kann weiterhin das Laminieren jeder der Kathodenfolien auf die Anodenbahn derart beinhalten, daß sich ein Teil jeder Kathodenfolie über mindestens eine Kante der Anodenschichtstruktur der Anodenbahn erstreckt, um einen Laminierungs-Offset dazwischen zu erzeugen. Der Laminierungs-Offset kann beispielsweise im Bereich zwischen etwa 0,04 Inch und etwa 0,31 Inch liegen.
Das Laminieren der Kathodenfolien auf die Anodenbahn kann außerdem das Erhitzen einer oder beider der Kathodenfolien oder der Anodenbahn beinhalten. Das Schneiden der laminierten Anodenbahn kann weiterhin das Detektieren des Raums zwischen benachbarten Kathodenfolien, etwa durch optische oder mechanische Techniken, beinhalten.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sorgt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer Reihe elektrochemischer Dünnfilm-Elementarzellen für das Bewegen einer eine Kathodenschichtstruktur aufweisenden Bahn (Kathodenbahn) mit einer ersten Geschwindigkeit. Die Kathodenbahn wird drehbar mit einer zweiten Geschwindigkeit geschnitten, um eine Reihe von Kathodenfolien zu erzeugen. Jede der sich mit der zweiten Geschwindigkeit bewegenden Kathodenfolien wird drehbar auf eine eine Anodenschichtstruktur aufweisende Bahn (Anodenbahn) laminiert, die sich mit einer dritten Geschwindigkeit bewegt, um eine laminierte Elementarzelle mit einem Raum zwischen benachbarten Kathodenfolien zu erzeugen.
Bei einer Konfiguration sind die erste, zweite und dritte Geschwindigkeit im wesentlichen gleich. Bei einer weiteren Konfiguration sind die zweite und die dritte Geschwindigkeit im wesentlichen gleich und die zweite und dritte Geschwindigkeit sind größer als die erste Geschwindigkeit. Bei noch einer anderen Konfiguration sind die erste und zweite Geschwindigkeit im wesentlichen gleich und die dritte Geschwindigkeit ist größer als die erste und zweite Geschwindigkeit. Bei einer weiteren Konfiguration sind die erste, zweite und dritte Geschwindigkeit derart verschieden, daß die dritte Geschwindigkeit größer als die zweite Geschwindigkeit und die dritte und die zweite Geschwindigkeit größer sind als die erste Geschwindigkeit.
Gemäß einer weiteren Konfiguration sind die erste und zweite Geschwindigkeit im wesentlichen gleich, und das Schneiden der Kathodenbahn beinhaltet das Schneiden eines Teils der Kathodenbahn und Entfernen der überschüssigen Kathodenbahn, um den Raum zwischen benachbarten Kathodenfolien zu erzeugen. In diesem Fall ist der Raum zwischen benachbarten Kathodenfolien eine Funktion einer Größe und/oder Form der entfernten überschüssigen Kathodenbahn.
Bei einem weiteren Ansatz ist die dritte Geschwindigkeit größer als die erste und zweite Geschwindigkeit, und das Laminieren jeder der Kathodenfolien auf die Anodenbahn beinhaltet ferner das Bewegen der Anodenbahn mit der dritten Geschwindigkeit, um den Raum zwischen benachbarten Kathodenfolien zu erzeugen. Gemäß einem weiteren Ansatz ist die dritte Geschwindigkeit größer als die erste und zweite Geschwindigkeit, und das Laminieren jeder der Kathodenfolien auf die Anodenbahn beinhaltet weiterhin das drehbare Bewegen jeder der Kathodenfolien mit der zweiten Geschwindigkeit, während die Anodenbahn drehbar mit der dritten Geschwindigkeit bewegt wird, um den Raum zwischen benachbarten Kathodenfolien zu erzeugen. Das Laminieren jeder der Kathodenfolien auf die Anodenbahn kann außerdem das Laminieren jeder der Kathodenfolien auf die Anodenbahn derart beinhalten, daß sich ein Teil jeder Kathodenfolie über mindestens eine Kante der Anodenschichtstruktur der Anodenbahn erstreckt, um einen Laminierungs-Offset dazwischen zu erzeugen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer Reihe elektrochemischer Dünnfilm-Elementarzellen das Schneiden einer eine Kathodenschichtstruktur aufweisenden Bahn mit einer ersten Geschwindigkeit in eine Reihe von Kathodenschichtstrukturen unter Verwendung eines gemusterten Rotationswerkzeugs. Jede der Kathodenschichtstrukturen wird auf eine eine Anodenschichtstruktur aufweisende Bahn laminiert, die gleich der oder größer als die erste Geschwindigkeit ist, um eine laminierte Elementarzelle mit einem Raum zwischen benachbarten Kathodenschichtstrukturen herzustellen. Kathodenbahnabfallmaterial, das sich aus dem Schneiden mit dem gemusterten sich drehenden Ziehwerkzeug ergibt, wird weggeworfen oder gesammelt.
Gemäß dieser Ausführungsform ist der Raum zwischen benachbarten Kathodenschichtstrukturen eine Funktion einer Größe und/oder Form des gemusterten Rotationswerkzeugs. Das gemusterte Rotationswerkzeug kann beispielsweise eine rechteckige Form aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann ein Ausgang einer Rotationsumformungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung an einen Eingang zu einer stapelnden Vorrichtung der vorliegenden Erfindung gekoppelt sein. Eine kombinierte Rotationsumformungs-/stapelnde Vorrichtung und Methodik gemäß der vorliegenden Erfindung sorgt für die Herstellung laminierter Stapel aus ähnlichen oder verschiedenen Schichten aus variierenden Materialien in so gut wie jeder Form.
Die obige Zusammenfassung der vorliegenden Erfindung soll nicht jede Ausführungsform oder jede Umsetzung der vorliegenden Erfindung beschreiben. Vorteile und Errungenschaften zusammen mit einem eingehenderen Verständnis der Erfindung ergeben sich und werden gewürdigt durch Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung und Ansprüche in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine Rotationsumformungs- und stapelnde Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Unterbaugruppe von 1, die eine Rotationsumformungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
3A ist eine Unterbaugruppe von 2, die eine ausführliche Darstellung einer ersten Rotationsschneid- /Laminierungsschnittstelle einer Rotationsumformungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
3B zeigt eine geschnittene Kathodenfolie, die sich auf einem Amboß mit der in 3A gezeigten ersten Rotationsschneid-/Laminierungsschnittstelle bewegt;
3C–3F zeigen vier Ausführungsformen einer Rotationsumformungsvorrichtung, die jeweils Zufuhr-, Schneid- und Laminierungsabschnitte enthalten, die mit der gleichen oder verschiedenen Verarbeitungsgeschwindigkeiten arbeiten können;
4 ist eine Unterbaugruppe von 2, die eine ausführliche Veranschaulichung einer zweiten Rotationsschneidschnittstelle einer Rotationsumformungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
5 ist eine ausführliche Darstellung der in 4 gezeigten zweiten Rotationschneidschnittstelle;
6 ist eine Unterbaugruppe von 1, die eine stapelnde Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
7A und 7B stellen einen Teil einer stapelnden Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar;
8 stellt eine stapelnde Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar;
9 veranschaulicht eine bahnstapelnde Vorrichtung mit mehreren Stationen für ein einzelnes Produkt gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
10 veranschaulicht eine bahnstapelnde Vorrichtung mit einer Station für ein einzelnes Produkt gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
11 veranschaulicht eine bahnstapelnde Vorrichtung mit mehreren Stationen für mehrere Produkte gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
12A und 12B stellen eine Rotationsumformungs-/Laminiervorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar;
13 zeigt einen Laminatstapel aus mehrfarbigen Folien aus Material, die durch eine Rotationsumformungs- und/oder Stapelvorrichtung gemäß den Grundlagen der vorliegenden Erfindung hergestellt werden;
14 zeigt mehrere Schichten eines einzigen gefärbten Blatts aus Papier oder Film, wobei ein Teil der Rückseite einen Kleber aufweist, die zusammen laminiert sind und in eine gewünschte Form geschnitten worden sind, wobei eine Rotationsumformungs- und/oder Stapelvorrichtung gemäß den Grundlagen der vorliegenden Erfindung verwendet wurde;
15 zeigt mehrere Schichten eines einzigen gefärbten Blatts aus Papier oder Film ähnlich dem in 14 gezeigten, aber mit einer anderen Form als der in 14 gezeigten;
16 veranschaulicht einen Produktstapel oder -block, der verschiedene Folien- oder Filmschichten variierender Formen und Größen aufweist, der durch eine Rotationsumformungs- und/oder Stapelvorrichtung gemäß den Grundlagen der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde;
17 zeigt einen Produktstapel, der verschiedene Folien- oder Filmschichten aufweist, bei dem jede Folie eine andere Form aufweist, der durch eine Rotationsumformungs- und/oder Stapelvorrichtung gemäß den Grundlagen der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde;
18 zeigt einen Pack medizinischer Verbände, die durch eine Rotationsumformungs- und/oder Stapelvorrichtung gemäß den Grundlagen der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden.
Wenngleich die Erfindung für verschiedenen Modifikationen und alternative Formen zugänglich ist, sind Einzelheiten davon in den Zeichnungen beispielhaft gezeigt worden und werden ausführlich beschrieben. Es versteht sich jedoch, daß die Erfindung nicht auf die beschriebenen besonderen Ausführungsform beschränkt sein soll. Hingegen sollen alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen abgedeckt sein, die in den Schutzbereich der Erfindung fallen, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VERSCHIEDENER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Rotationsumformungs-, Laminierungs- und Stapelvorrichtungen der vorliegenden Erfindung sorgen vorteilhafterweise für die Herstellung laminierter Stapel aus ähnlichen oder verschiedenen Schichten variierender Materialien mit so gut wie jeder Form. Die Grundlagen der vorliegenden Erfindung können auf Produktlaminatstapel aus Produkt aus einer aus einem einzigen Produkt bestehenden Bahn oder aus einer aus mehreren Produkten bestehenden Bahn (z. B. aus fünf verschiedenen Produkten bestehende Bahnen) hergestellt werden. Die gemäß der vorliegenden Erfindung produzierten Laminatstapel aus Produkt können Blöcke aus ein- oder mehrfarbigen Folien oder Filmen, Packs von medizinischen Verbänden und Dünnfilmbatterien (als Beispiele) enthalten.
Eine bestimmte Anwendung betrifft die Produktion elektrochemischer Batteriezellen, bei denen mehrere abwechselnde Schichten aus Kathoden-, Separator- und Anodenmaterial geschnitten und zu einem Stapel oder einer Elementarzelle laminiert werden. Eine innerhalb des Kontextes der vorliegenden Erfindung produzierbare elektrochemische Dünnfilm-Elementarzelle kann als eine Stapelunterbaugruppe definiert werden, die mindestens die folgenden Folien aufweist: Stromsammler, Kathode, Separator und Anode, in der Regel in dieser Reihenfolge. Indem zwei oder mehr sich drehende Umformungsstationen vor einer Stapelvorrichtung vorgesehen werden (als Beispiel), können die Kathoden- und Anodenschichten unabhängig geschnitten werden, was beim Verhindern von Kurzschlüssen zwischen den Strukturen der Elementarzellenanode und -kathode wichtig ist.
Je nach der relativen Plazierung des Separators und der Wahlen bei der Werkzeugbestückung und der zeitlichen Steuerung können die jeweiligen Bereiche von Kathode, Anode und Separator unabhängig bestimmt werden. Dies ist wichtig für das Aufrechterhalten einer gleichförmigen Stromverteilung, was für die Lebensdauer der elektrochemischen Zelle kritisch ist. Indem beispielsweise der Separator größer bemessen wird als die geschnittene Kathode, werden durch Kantengrate verursachte makroskopische Kurzschlüsse verhindert. Dadurch können vorteilhafterweise Sekundärisolatoren eliminiert werden, die möglicherweise ansonsten zwischen den Elektroden bei einigen Zellendesigns erforderlich sind.
Diese Grundlagen können auch auf Brennstoffzellenkonstruktionen angewendet werden. Diese Grundlagen können weiterhin dazu verwendet werden, neue verpackte medizinische Produkte herzustellen, bei denen nur eine Verpackungsschicht pro Produktschicht verwendet wird und das Endprodukt dem Kunden in einer umgeformten, gestapelten und verpackten Form geliefert wird. Die auf dem Stapel angeordnete erste und letzte Schicht können beispielsweise die Außenverpackung sein.
Nunmehr unter Bezugnahme auf die Figuren wird in 1 eine Vorrichtung 10 gezeigt, die eine Reihe elektrochemischer Zellenfolien herstellt, wobei Bahnen aus Kathoden- und Anodenmaterial verwendet werden, und zum Herstellen eines Stapels elektrochemischer Zellenschichten. Die Vorrichtung 10 zeigt zwei Verarbeitungsvorrichtungen 20 und 120, die hier als eine sich drehende Umformungsvorrichtung 20 beziehungsweise als eine Stapelvorrichtung 120 bezeichnet werden. Die Vorrichtung 10 sorgt für einen Montageprozeß mit kontinuierlicher Bewegung, der bei einer Ausführungsform flache, relativ unflexible mehrschichtige Stapel aus elektrochemischen Zellenmaterialschichten aus einem relativ flexiblen Material, das von einer Trennschicht getragen wird, herstellt – die Schichten mit niedriger Duktilität enthalten können oder nicht. Ein Vorteil bei der vorliegenden Erfindung ist die Fähigkeit, mehrschichtige Baugruppen stapeln zu können, die keine oder mehr Schichten aus Material mit geringer Duktilität enthalten können. In dieser Hinsicht berücksichtigt ein Stapelprozeß der vorliegenden Erfindung die Dehnungseigenschaften der Schichten in dem Produkt, die von Produkt zu Produkt dramatisch variieren können.
Es versteht sich, daß die sich drehenden Umformungs- und Stapelvorrichtungen 20, 120 individuell eine Anzahl einzigartiger und nützlicher Merkmale enthalten, und diese Vorrichtungen und die damit verbundenen Verarbeitungsmethodiken können als solche auf einer individuellen Basis ausgenutzt werden und brauchen nicht als Teil einer umfassenden zweiteiligen Vorrichtung kombiniert zu werden, wie in 1 dargestellt. Wie nachstehend erörtert wird, kann die sich drehende Umformungsvorrichtung 20, die auf eine Vielzahl von Wegen implementiert werden kann, separat verwendet werden, um eine Reihe laminierter Elementarzellenstrukturen herzustellen, die in der Regel von einer Trennschicht getragen sind. Die Stapelvorrichtung 120, die in einer Vielzahl von Wegen implementiert sein kann, kann separat verwendet werden, um unter Verwendung einer Stapeloperation mit kontinuierlicher Bewegung Stapel von elektrochemischen Zellenschichten herzustellen. Beispielhafte Stapelvorrichtungen und -verfahren sind aus der eigenen gleichzeitig anhängigen US-Anmeldung mit der laufenden Nummer 09/718,549, die durch Anwaltsregisternummer 810.509US01 (55530USA6A) mit dem Titel „Stacking Apparatus and Method for Laminated Products and Packaging", bekannt sind.
Die sich drehende Umformungsvorrichtung 20 formt allgemein ausgedrückt eine Kathodenbahn 23 und eine Anodenbahn 123 in eine Reihe geschichteter elektrochemischer Zellenstrukturen um, die von einer Trennschicht getragen werden. Die Stapelvorrichtung 120 sorgt für das kontinuierliche Stapeln von von der Trennschicht übertragenen elektrochemischen Zellenstrukturen auf eine Anzahl von umlaufenden, schleifenförmigen oder sich hin und her bewegenden Plattformen, die hier austauschbar als Pucks, Paletten oder Schlitten bezeichnet werden. Ein durch den Einsatz eines Rotationsumformungsprozesses der vorliegenden Erfindung realisierter Vorteil beinhaltet die Herstellung eines Produkts mit fertiger Größe ohne Notwendigkeit für nachfolgendes oder späteres Schneiden.
Bei einer Ausführungsform enthalten die geschichteten elektrochemischen Zellenstrukturen eine Anodenschichtstruktur, die im allgemeinen eine oder mehrere feste Elektrolytschichten und eine Kathodenschichtstruktur enthält. Eine derartige Struktur wird hier als eine Elementarzelle bezeichnet, von der eine Konfiguration oben beschrieben ist.
Eine Kathodenschichtstruktur kann als eine Unterbaugruppe definiert werden, die eine Kathode, einen Stromsammler und eine Kathode aufweist. Eine weitere Konfiguration einer Kathodenschichtstrukturunterbaugruppe weist einen Separator, eine Kathode, einen Stromsammler und eine Kathode auf. Noch eine weitere Kathodenschichtstrukturunterbaugruppenkonfiguration weist einen Separator, eine Kathode, einen Stromsammler, eine Kathode und einen Separator auf.
Eine Anodenschichtstruktur kann als eine individuelle Anodenfolie definiert werden. Eine Anodenschichtstruktur kann auch als eine Unterbaugruppe definiert werden, die einen Separator und eine Anode aufweist. Eine weitere Konfiguration einer Anodenschichtstrukturunterbaugruppe weist einen Separator, eine Anode und einen Separator auf.
Beispielsweise kann die Kathodenbahn 23 so hergestellt werden, daß sie einen auf beiden Seiten mit einem Verbundkathodenmaterial (Kathode/Stromsammler/Kathode-Struktur) beschichteten Aluminiumfolien-Stromsammler enthält. Die Anodenbahn 123 kann beispielsweise als eine vierschichtige Struktur hergestellt werden, die eine Trennschicht, einen festen Elektrolytfilm, eine Lithiumfolie und eine zweite Schicht aus einem festen Elektrolytfilm enthält (Separator/Anode/Separator-Struktur). Bei einer bestimmten Ausführungsform wird ein fester Polymerelektrolytfilm in der Anodenbahn 123 verwendet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Kathodenbahn 23 einen Separator, wie etwa einen festen Polymerelektrolytfilm, auf beiden Seiten des Verbundkathodenmaterials enthalten. Bei noch einer weiteren Ausführungsform kann ein Separator auf jeder der Kathoden- und Anodenbahnen 23, 123 enthalten sein. Es werden auch andere mehrschichtige Kathoden-, Anoden- und feste Elektrolytbahnstrukturen in Betracht gezogen.
Gemäß einer Implementierung können die Bahnen 23, 123 mit Geschwindigkeiten bewegt werden, die im Bereich zwischen 0 und 10 Meter/Minute liegen. Die Produktbahnbreiten können etwa 8 Inch betragen. Die Elementarzellenfolien können eine Länge von bis zu etwa 17 Inch aufweisen. Die Produktvorschubrollen können jeweils einen Durchmesser von bis zu etwa 18 Inch aufweisen.
Nunmehr unter Bezugnahme auf 2 wird eine sich drehende Umformungsvorrichtung 20 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausführlicher gezeigt. Die in 2 gezeigte sich drehende Umformungsvorrichtung 20 enthält eine Bahn 23 aus Kathodenmaterial, die anfänglich um eine Kathodenvorschubrolle 22 gewickelt ist. Die Kathodenbahn kann wie gewickelt eine Trennschicht 21 enthalten, die während des Abwickelns der Kathodenvorschubrolle 22 auf eine Trägeraufnahmerolle 24 gewickelt wird. Die Kathodenbahn 23 minus Trägerschicht 21 wird einer ersten Schneidstation 28 zugeführt. Die Kathodenbahn 23 durchläuft in der Regel eine Zugrollenvorrichtung 26, die die Kathodenbahn 23 in einen gewünschten Zugzustand versetzen kann und die eine Bahnführungsmechanismus enthalten kann.
Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform stellt die erste Schneidstation 28 eine Rotationsziehwerkzeugstation dar. Die erste Schneidstation 28 enthält eine angetriebene Abzugsrollenvorrichtung 31, die in diesem Fall eine Andrückrolle 32 und eine mit Kautschuk bedeckte Antriebsrolle 33 enthält. Alternativ kann eine Vakuumabzugsrollenvorrichtung verwendet werden. Die Bewegung, wie etwa die Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung, der Abzugsrollenvorrichtung 31 wird in der Regel durch ein nicht gezeigtes Servosteuersystem geregelt, wie in der Technik bekannt ist. Die Abzugsrollenvorrichtung 31 führt die Kathodenbahn 23 einer Schneidrollenvorrichtung 30, die ein Rotationswerkzeug 34 und einen Amboß 35 enthält. Die Schneidrollenvorrichtung 30 schneidet die Kathodenbahn 23 in individuelle Kathodenfolien. Die Bewegung, wie etwa Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung, des Rotationsziehwerkzeugs 34 und des Ambosses 35 wird in der Regel durch ein nicht gezeigtes Servosteuersystem geregelt.
Wie ebenfalls in 2 gezeigt ist, wird eine Bahn aus Anodenmaterial 123 einer Laminierungsvorrichtung 29 zugeführt. Die Anodenbahn 123 kann auch durch eine Infrarotheizvorrichtung 38 (in Umrissen als Infrarotheizvorrichtung 38 gezeigt) vor dem Eintritt in die erste Schneidstation 28 oder in dieser erhitzt werden. Die Anodenbahn 123 enthält wie schon erörtert in der Regel eine Trennschicht und kann zwei auch als Separatorschichten bezeichnete feste Elektrolytschichten enthalten, die auf gegenüberliegenden Seiten einer Anode (z. B. Lithiumfolie) vorgesehen sind. Die Anodenbahn 123 wird in der Regel über eine Spannrollenvorrichtung 39 in einen gewünschten Spannungsgrad versetzt und wird in der Regel geführt.
Die Kathodenfolien werden durch den Amboß 35 in die Nähe zu der Anodenbahn 123 in der Laminierungsvorrichtung 29 gedreht. Die Kathodenfolien werden an einem zwischen einer Laminierungsrolle 36 und der Amboßrolle 35 ausgebildeten Spalt auf die Anodenbahn 123 laminiert, um eine laminierte Bahn 50 aus Elementarzellenmaterial herzustellen. Die Laminierungsrolle 36 ist in der Regel mit einem Kautschukmaterial bedeckt und der Amboß 35 ist in der Regel aus einem metallischen Material hergestellt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Anodenbahn 123 mit einer Geschwindigkeit, die größer ist als die der Kathodenbahn 23, durch die Laminierungsvorrichtung 29 bewegt. Die Differenz bei den relativen Geschwindigkeiten der Anoden- und Kathodenbahnen 123, 23 erzeugt einen Raum zwischen den Kathodenbahnen, während jede Kathodenbahn auf die Anodenbahn 123 laminiert wird. Die laminierte Bahn 50 aus Elementarzellenmaterial wird von der ersten Schneidstation 28 an die zweite Schneidstation 40 weitergeführt, wo ein Schnitt durch das Anodenbahnmaterial erfolgt, aber nicht durch die Trennschicht.
Bei der zweiten Schneidstation 40 leiten eine angetriebene Andrückrolle 42 und eine mit Kautschuk bedeckte Antriebsrolle 43 die laminierte Bahn 50 in eine Schneidrollenvorrichtung 41, die einen Amboß 45 und ein Rotationsziehwerkzeug 44 enthält. Das Rotationsziehwerkzeug 44 schneidet zusammen mit dem Amboß 45 durch das Anodenmaterial, aber nicht durch die Trennschicht, der laminierten Bahn 50 innerhalb des zwischen benachbarten Kathodenfolien erzeugten Raums. Die Antriebsrolle 42 kann geheizt sein. Ein optischer Sensor 37 wird verwendet, um die Räume zwischen benachbarten Kathodenfolien zu detektieren, um sicherzustellen, daß Schnitte in der laminierten Bahn 50 nur innerhalb dieser Räume durchgeführt werden. Es sei angemerkt, daß die Ausrichtung des Raums oder der Lücke zwischen benachbarten Kathodenfolien an der entsprechenden Schneidstelle innerhalb der zweiten Schneidstation 40 durch die Verwendung der ordnungsgemäßen zeitlichen Steuerung, Übersetzung und/oder Riemenanordnung anstatt durch optische oder andere Lückenerfassung oder -detektierung bestimmt werden kann.
Eine Reihe laminierter Elementarzellenfolien auf einer Trägerschicht entsteht somit an einem Ausgang der zweiten Schneidstation 40. Die Folien mit den laminierten Elementarzellen können auf eine Aufwickelrolle zur späteren Verarbeitung durch eine Stapelvorrichtung aufgewickelt oder als Teil einer kontinuierlichen Rotationsumformungs-/-stapeloperation direkt der Stapelvorrichtung zugeführt werden, wie etwa der beispielsweise in 1 gezeigten.
Ein durch Implementieren einer Rotationsumformungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung realisierbarer Vorteil betrifft die Fähigkeit zum Zusammenbau elektrochemischer Generatoren aus diskreten Folien aus Anoden- und Kathodenbahnmaterial, bei denen die Anodenfolie und die Kathodenfolie unabhängig voneinander geschnitten werden, was vorteilhafterweise die Entstehung potentieller Kurzschlüsse während der Schneidprozesse verhindert. Durch den zwischen benachbarten Kathodenfolien erzeugten Abstand erhält man die Möglichkeit, unabhängig vom Schneiden der Anodenbahn 123 die Kathodenbahn 23 in Kathodenfolien zu schneiden. Insbesondere wird die Kathodenbahn 23 an der ersten Schneidstation 28 in Kathodenfolien geschnitten, bevor sie über die überschnelle Anodenbahn 123 laminiert wird. Die zuvor an der Laminierungsvorrichtung 29 erzeugten Räume sorgen dafür, daß an der zweiten Schneidstation 40 nur das Anodenbahnmaterial durchgeschnitten wird.
Ein weiterer Vorteil betrifft die Möglichkeit, Kathoden- und Anodenfolien wie oben erörtert unabhängig zu schneiden und außerdem die Kathodenfolien mit einem Querbahnoffset relativ zu Anodenfolien zu laminieren, wobei ein Laminierungsoffset dazwischen erzeugt wird. Eine auf diese Weise konstruierte Elementarzellenfolie kann beispielsweise eine Separator/Anode/Separator-Schichtstruktur enthalten, die sich über alle vier Kanten einer Kathodenbeschichtung hinauserstreckt. Ein Stromsammler, der sich über eine Kante der Separator/Anode/Separator-Schichtstruktur erstreckt, trägt die Kathodenbeschichtung. Es sei angemerkt, daß gemäß dieser Ausführungsform beide Bahnen mehrschichtig sind und nicht alle Schichten die gleiche Breite aufweisen müssen. Diese Elementarzellenfolienstruktur liefert mehrere Vorteile, unter anderem das Verhindern von Kurzschlüssen während eines nachfolgenden Stapel- und damit verbundenen Schneidvorgangs und Zellenmontage oder Endbehandlungsoperationen und verbesserte Herstellbarkeit.
Durch durchdachtes Bemessen der verschiedenen Materialschichten, die in den jeweiligen Kathoden- und Anodenbahnen 23, 123 enthalten sind, kann man andere Elementarzellenfolienkonfigurationen erzielen. Um fortzufahren: Die Anodenbahn 123, die in die Laminierungsvorrichtung 29 eingeführt wird, kann als eine Trägermaterial/Separator/Lithiumfolie/Separator-Struktur mit einer ersten Kante konstruiert werden, bei der Kanten der Separatorschichten sich bis zur Kante der Lithiumfolie erstrecken, und einer zweiten Kante, bei der sich die Lithiumfolie über die Kanten der Separatorschichten hinaus erstreckt. Auf diese Weise kann eine Elementarzellenfolienstruktur derart entwickelt werden, daß die Kathoden- und Stromsammlerschichten in Längsrichtung kürzer sind als die Anodenschicht.
Die 3A und 3B zeigen verschiedenen Aspekte der in den 1 und 2 gezeigten ersten Schneidstation 28 ausführlicher. Gemäß einer Ausführungsform wird die Kathodenbahn 23 durch die Abzugsrollenvorrichtung 31 mit einer Geschwindigkeit W1 in die Schneidrollenvorrichtung 30 bewegt. Die Schneidrollenvorrichtung 30, die so gezeigt ist, daß sie das Rotationsziehwerkzeug 34 und den Amboß 35 enthält, wird so gesteuert, daß sie sich mit einer Geschwindigkeit W2 bewegt, die größer ist als die Geschwindigkeit W1 der Kathodenbahn 23.
Die auf dem Rotationsziehwerkzeug 34 vorgesehenen Ziehklingen 47 schneiden zusammen mit dem Amboß 35 durch die Kathodenbahn 23, um individuelle Kathodenfolien 52 herzustellen (in 3B ausführlicher gezeigt). Es versteht sich, daß das Rotationsziehwerkzeug 34 eine einzige Ziehklinge 47, doppelte Ziehklingen 47, wie in 3A gezeigt, oder mehr als zwei Ziehklingen 47 aufweisen kann. Weiterhin kann die Ziehklinge 47 eine einzige Klinge oder eine komplexere Klingenanordnng sein. Beispielsweise kann an dem Rotationsziehwerkzeug 34 eine rechteckige Ziehklingenanordnung oder ein rechteckiges Ziehklingenmuster vorgesehen sein. Es versteht sich, daß je nach einer gegebenen Systemimplementierung andere Verfahren und Vorrichtungen zum Schneiden oder Stanzen der Kathodenbahn 23 verwendet werden können, was den Einsatz einer Schervorrichtung, eines Lasers oder eines Wasserstrahls (als Beispiel) beinhalten kann.
Bei einer Ausführungsform ist der Amboß 35 eine Vakuumamboßrolle mit einem Lochabstandsmuster, das an den Folienmaterialziehklingenabstand angepaßt ist. Die einzelnen Kathodenfolien 52 beim Übergang von der Bewegung mit der Geschwindigkeit W1 der Kathodenbahn 23 zur Geschwindigkeit W2 werden dann in die Laminierungsvorrichtung 29 eingeführt.
Die Laminierungsrolle 36 und der Amboß 35 der Laminierungsvorrichtung 29 und somit die Anodenbahn 123 sind bei Bewegung mit der Geschwindigkeit W2 gezeigt. Die einzelnen Kathodenfolien 52, die sich ebenfalls mit der Geschwindigkeit W2 bewegen, werden an einem zwischen der mit Kautschuk bedeckten Laminierungsrolle 36 und dem Amboß 35 ausgebildeten Spalt auf die Anodenbahn 123 laminiert. Die Differenz zwischen den Geschwindigkeiten W1 und W2, wobei die Geschwindigkeit W2 größer ist als die Geschwindigkeit W1, erzeugt während des Laminierungsprozesses zwischen benachbarten Kathodenfolien einen Raum 53. Die von einer Trennschicht der Anodenbahn 123 getragene laminierte Bahn 50 wird dann in eine zweite Schneidstation 40 eingeführt.
Bei vielen Anwendungen kann ein geeignetes Geschwindigkeitsverhältnis der sich schneller bewegenden Anodenbahn 123 relativ zu der sich langsamer bewegenden Kathodenbahn 23 (d. h. W2/W1) zwischen etwa 1,005 und etwa 1,05 variieren. Beispielsweise kann die Geschwindigkeit W1 der Kathodenbahn 23 im Bereich zwischen etwa 5 Fuß pro Minute (fpm) und etwa 500 fpm liegen, und die Geschwindigkeit W2 der Anodenbahn 123 kann zwischen etwa 5,025 fpm und etwa 525 fpm liegen, solange W2/W > 1 (1 fpm ⎕ 0.00508 m/s).
Bei einer Ausführungsform variiert die Breite der Kathodenbahn 23 zwischen etwa 0,75 Inch und etwa 24 Inch. Die Breite der Anodenbahn 123 kann ebenfalls zwischen etwa 0,75 Inch und etwa 24 Inch variieren. Die Länge jeder Kathodenfolie 52 kann zwischen etwa 0,25 Inch und etwa 24 Inch variiert werden. Die zwischen benachbarten Kathodenfolien erzeugten Räume 53 können zwischen etwa 0,015 Inch und etwa 0,4 Inch variieren. Bei einer Ausführungsform, bei der während des Laminierungsprozesses zwischen den Kathoden- und Anodenbahnen 23, 123 ein Laminierungsoffset erzeugt wird, kann ein derartiger Laminierungsoffset zwischen etwa 0,04 Inch und etwa 0,31 Inch variieren (1 Inch ⎕ 2.54 cm).
Zu Veranschaulichungszwecken und nicht als Einschränkung sind ein beispielhafter Satz von Rotationsumformungsprozeßparametern vorgesehen. Bei diesem Veranschaulichungsbeispiel wird angenommen, daß die Kathodenbahn 23 mit einer Geschwindigkeit W1 von 50 fpm bewegt wird. Die Geschwindigkeit W2 der Anodenbahn 123 beträgt 51 fpm, was für ein Geschwindigkeitsverhältnis von W2 zu W1 von etwa 1,02 sorgt. Die Länge jeder geschnittenen Kathodenfolie beträgt 3,92 Inch. Der Raum 53 zwischen benachbarten Kathodenfolien 52 beträgt 0,08 Inch. Der Raum zwischen aufeinanderfolgenden Tiefenschnitten nur durch den Anodenabschnitt der Bahn 54, aber nicht durch den Anodenträger 51, beträgt 4,0 Inch. Die Breite der Anoden- und Kathodenbahnen beträgt jeweils 5,63 Inch. Der Laminierungsoffset beträgt 0,24 Inch gemäß diesem Veranschaulichungsbeispiel.
Die 3C–3F veranschaulichen mehrere Rotationsumformungsvorrichtungskonfigurationen, die zusätzlich zu den oben bezüglich 3A und 3B beschriebenen implementiert werden können. 3C–3F zeigen vier nützliche Konfigurationen mit unterschiedlichen Prozeßgeschwindigkeitsbeziehungen bei drei Abschnitten der Rotationsumformungsvorrichtung. Insbesondere sind die Geschwindigkeiten, die einem Zuführabschnitt 32', einem Schneidabschnitt 34' und einem Laminierungsabschnitt 36' zugeordnet sind, als die Geschwindigkeiten WX angegeben, wobei X gleich 1, 2 oder 3 ist. Im allgemeinen, aber nicht notwendigerweise, kann die Beziehung zwischen den Geschwindigkeiten W1, W2 und W3 als W1 ≤ W2 ≤ W3 charakterisiert werden.
In 3C sind beispielsweise die Geschwindigkeiten, die jeweils dem Zufuhrabschnitt 32', einem Schneidabschnitt 34' und einem Laminierungsabschnitt 36' gemäß dieser Rotationsumformungsvorrichtungskonfiguration zugeordnet sind, als W1, W2 bzw. W2 angegeben. In diesem Fall, der im wesentlichen die oben bezüglich der 3A und 3B erörterte Konfiguration ist, ist W1 kleiner als W2.
3D zeigt eine weitere Rotationsumformungsvorrichtungskonfiguration, bei der die Geschwindigkeiten, die jeweils dem Zuführabschnitt 32', einem Schneidabschnitt 34' und einem Laminierungsabschnitt 36' zugeordnet sind, alle im wesentlichen gleich sind, wie etwa die Geschwindigkeit W1 in diesem Veranschaulichungsbeispiel. 3D enthält weiterhin eine Wickelrolle 27 zum Aufnehmen eines Trägers mit der Geschwindigkeit W1. Diese Konfiguration eignet sich gut für den Einsatz eines gemusterten Rotationsziehwerkzeugs, wie etwa eines Rotationsziehwerkzeugs, das eine rechteckig geformte Ziehklinge enthält. Gemäß dieser Konfiguration schneidet eine rechteckige Ziehklinge einen rechteckig geformten Schnitt in die Bahnstruktur z. B. eine Kathodenschichtstuktur, die bei Entfernung einen Spalt zwischen benachbarten Bahnstrukturen erzeugt. Das überschüssige oder Abfallbahnmatrixmaterial kann auf den sich mit der Geschwindigkeit W1 bewegenden Träger wieder aufgewickelt werden, wobei eine Wickelrolle 27 verwendet wird.
Die Laminierung der Bahnstrukturfolien, die mit einer Geschwindigkeit W1 den Schneidabschnitt 34' zu einer anderen Bahn 123 wie etwa einer Bahn aus Anodenschichtstruktur durchlaufen, kann ebenfalls mit der Geschwindigkeit W1 beim Laminierungsabschnitt 36' erfolgen. Die in 3D dargestellte Rotationsumformungsvorrichtungskonfiguration sorgt vorteilhafterweise für die Herstellung eines gewünschten Spalts zwischen benachbarten Kathodenschichtstrukturen und sorgt gleichzeitig für eine im wesentlichen gleichförmige Prozeßgeschwindigkeit bei jedem der Zuführ-, Schneid- und Laminierungsabschnitte 32', 34' und 36'.
3E zeigt eine weitere Rotationsumformungsvorrichtungskonfiguration, bei der die Geschwindigkeiten, die dem Zuführ- und Schneidabschnitt 32' und 34' zugeordnet sind, im wesentlichen gleich sind, und die Laminierungsabschnittsgeschwindigkeit ist als W2 gezeigt. Bei dieser Konfiguration ist ein Förderer 25 zwischen der Schneidstation 34' und der Laminierungsstation 36' angeordnet gezeigt. Die Geschwindigkeit des Förderers 25 ist im wesentlichen die gleiche wie die der Laminierungsstation 36', nämlich W2.
3F zeigt noch eine weitere Rotationsumformungsvorrichtungskonfiguration, bei der die Geschwindigkeiten, die dem Zuführ-, Schneid- und Laminierungsabschnitt 32', 34' und 36' zugeordnet sind, verschieden sind. Bei diesem besonderen Beispiel sind die Geschwindigkeiten, die dem Zuführ-, Schneid- und Laminierungsabschnitt 32', 34' und 36' zugeordnet sind, als Geschwindigkeiten W1, W2 bzw. W3 gezeigt. Ein zwischen der Schneidstation 34' und der Laminierungsstation 36' angeordneter Förderer 25 ist so gezeigt, daß er sich im wesentlichen mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Laminierungsstation 36' bewegt, nämlich W3.
Man kann sehen, daß jede der in 3A–3F gezeigten Rotationsumformungsvorrichtungskonfigurationen einen gewünschten Spalt zwischen benachbarten Bahnstrukturen oder -folien herstellen. Die Spaltgröße oder der Abstand zwischen benachbarten Bahnstrukturen/-folien kann durch eine durchdachte Auswahl von Prozeßgeschwindigkeiten (z. B. die Geschwindigkeiten W1, W2 und W3) und/oder Ziehklingengröße, -konfiguration und -abstand variiert werden. Wie aus der unten folgenden Erörterung hervorgeht, erleichtert der zwischen benachbarten Bahnstrukturen/-folien vorgesehene Spalt das Verarbeiten des laminierten Produkts (z. B. laminierte Elementarzelle) bei einer zweiten Schneidstation.
Der Fachmann versteht, daß eine alternative „Aufnehm- und Ablege"-Laminierungsvorrichtung verwendet werden kann, um jede aus der Bahn an der Schneidstation 34' geschnittene Bahnstruktur zu der zweiten Bahn 123 zur Laminierung auf die zweite Bahn 123 zu übertragen. Gemäß diesem alternativen Ansatz würde der Laminierungsabschnitt 36' umkonfiguriert oder durch die Aufnehm- und Ablege-Laminierungsvorrichtung ersetzt werden.
4 zeigt die in den 1 und 2 gezeigte zweite Schneidstation 40 ausführlicher. Wie in 4 dargestellt, ist eine laminierte Bahn 50 als eine Reihe von beabstandeten Kathodenfolien 52 gezeigt, die auf eine Anodenbahn 123 mit einer Trennschicht 51 laminiert sind. Die laminierte Bahn 50 bewegt sich mit der Geschwindigkeit W2 in die zweite Schneidstation. Der Amboß 45 und das Rotationsziehwerkzeug 44 der Schneidrollenvorrichtung 41 werden mit einer Geschwindigkeit W3 bewegt, die in der Regel die gleiche ist wie W2, aber hinsichtlich der Geschwindigkeit variabel, um durchgehend auf den Raum 53 zu treffen. Beispielsweise kann die Geschwindigkeit W3 zwischen etwa 50 fpm und etwa 55 fpm variieren. Der Durchmesser des Rotationsziehwerkzeugs 44, der Abstand zwischen Ziehklingen 48 und die Geschwindigkeiten W2 und W3 sind entsprechend ausgewählt, so daß sich jede Ziehklinge 48 in Schneideingriff mit der Laminierungsbahn 50 dreht, aber nur in den Räumen 53 zwischen benachbarten einzelnen Kathodenfolien 52. Eine detaillierte Darstellung der Schneidrollenvorrichtung 41 innerhalb des Gebiets „A" von 4 ist in 5 bereitgestellt.
5 zeigt einen Abschnitt einer laminierten Bahn 50 innerhalb einer rollenden, schneidenden Schnittstelle, die zwischen dem Amboß 45 und dem Rotationsziehwerkzeug 44 definiert ist. Eine Ziehklinge 48 des Rotationsziehwerkzeugs 44 ist so gezeigt, daß sie in dem zwischen benachbarten individuellen Kathodenfolien 52 erzeugten Raum 53 durch das Anodenbahnmaterial 54 schneidet. Die Ziehklinge 48 ist so gezeigt, daß sie ganz durch die Anodenmaterialschicht 54 schneidet, aber nur in einen Teil der Trennschicht 51 eindringt. Es sei angemerkt, daß ein präzisionsgesteuerter Tiefenschnitt für geringes oder so gut wie kein Eindringen in die Trennschicht 51 sorgen kann.
Wie oben bereits erörtert, erzeugt die in 4 gezeigte zweite Schneidstation 40 eine Reihe laminierter Elementarzellenfolien, die an ihrem Ausgang von einem abtrennbaren Träger getragen werden. Die laminierten Elementarzellenfolien können auf eine Abwickelrolle gewickelt werden, um später von einer Stapelvorrichtung verarbeitet zu werden, oder können direkt in eine Stapelvorrichtung eingeführt werden als Teil einer kontinuierlichen Rotationsumformungs- /-stapeloperation.
Die Konstruktion der Anoden- und Kathodenbahnen 123, 23 kann, wie bereits erörtert, hinsichtlich Materialien, Anzahl der Schichten aus Material und Ausrichtung, Größe und Gestalt derartiger Materialschichten variiert werden. Als Beispiel kann die Konstruktion der Kathodenbahn 23 eine Aluminiumfolie mit einer Kathodenbeschichtung auf beiden Seiten aufweisen. Die Anodenbahn 123 kann bei diesem Beispiel eine Polyethylen/SPE/Lithiumfolie/SPE-Konstruktion aufweisen, wobei SPE sich auf einen festen Polymerelektrolyten bezieht.
Anhand eines weiteren Beispiels kann die Kathodenbahn 23 eine Kathode/kohlenstoffbeschichtete Aluminiumfolie/Kathode-Konstruktion enthalten. Die Anodenbahn 123 kann in diesem Beispiel eine Polyethylen/SPE/Lithiumfolie/SPE-Konstruktion aufweisen.
Es versteht sich, daß eine Rotationsumformungsvorrichtung und -methodologie der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, um eine große Vielzahl von Folienmaterialien zu laminieren, und nicht auf die Verwendung nur mit elektrochemischen Dünnfilmzellen beschränkt ist. Außerdem braucht der Rotationslaminierungsprozeß nicht die Herstellung eines Raums zwischen Bahnmaterialfolien vorzusehen, die durch die erste Schneidstation 28 verarbeitet werden, wenngleich das Vorsehen derartiger Räume in bestimmten Anwendungen vorteilhaft ist (z. B. Herstellung von elektrochemischen Dünnfilmzellen).
Eine Stapelvorrichtung und -methodologie der vorliegenden Erfindung sorgt für das durchgehende Stapeln laminierter Produkte variierender Arten, Größen und Gestalten wie etwa durch die Verwendung einer rollenden Laminierungsschnittstelle. Allgemein ausgedrückt wird eine Reihe von flachen Pucks, Paletten oder Schlitten ständig durch einen Spalt geführt, um präzisionslaminierte Stapel des Produkts in Folienform auf den oberen Oberflächen der Pucks aufzubauen. Produktfolien werden von einem ablösbaren Bahnträger in einer durchgehenden aufeinanderfolgenden oder abwechselnden Weise auf die Pucks übertragen, um einen Stapel von Produktfolien bis auf eine gewünschte Höhe herzustellen. Mehrere Ausführungsformen von Stapelvorrichtungen und -prozessen werden unten beschrieben, die allgemein entweder als „DL"- (direkte Laminierung) oder „VL"-(Vakuumlaminierung)-Vorrichtungen und Prozesse kategorisiert werden.
Gemäß einer DL-Methodologie werden Produktfolien direkt von einem ablösbaren Bahnträger auf die Pucks in einem direkten Laminierungsansatz übertragen. Gemäß einer VL-Methodologie werden Produktfolien zuerst von einer Trennschicht auf einer Vakuumrolle übertragen, dann in einem indirekten Laminierungsansatz auf die Pucks laminiert. Es sei angemerkt, daß beide Seiten der Produktfolien klebend sein können. Es können auch andere nichtklebende Formen des Stapels verwendet werde, wie etwa durch Verwendung von Klett-, elektrostatischen, magnetischen oder mechanischen Greifermechanismen (als Beispiel). Die rollenden Laminierungsprozesse der vorliegenden Erfindung für das Montieren von Materialschichten, zwei Ausführungsformen derer, die die hier beschriebenen DL- und VL-Ansätze sind, sorgen vorteilhafterweise für das Entfernen von Luft innerhalb der Laminatstruktur.
Das dem Laminierungsprozeß zugeführte Produkt kann in Form eines Bands auf einer Trennschicht vorliegen. Gesteuerte Tiefenschnitte durch das Produkt bis hinunter zum Träger trennen das Produkt in individuelle Produktfolien. Bei einem Ansatz wird angenommen, daß zwischen benachbarten Produktfolien kein Raum erzeugt wird. Dies reduziert Abfall im Vergleich zu klassischen Etikettierungsprozessen, bei denen Unkraut entfernt wird. Der Stapelungsprozeß kann so ausgelegt sein, daß der Mangel an Raum zwischen benachbarten Produktfolien und die Anhäufung kleiner Variationen bei der Produktfolienlänge berücksichtigt wird. Bei einem anderen Ansatz kann wie oben erörtert ein Raum zwischen mindestens einigen der Schichten von benachbarten mehrschichtigen Produktfolien erzeugt werden.
Nunmehr unter Bezugnahme auf 6 wird eine VL-Stapelungsvorrichtung 120 zum Herstellen von Stapeln von Produktfolien auf kontinuierlicher Basis gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Gemäß dieser Ausführungsform kann die durch die VL-Stapelungsvorrichtung 120 zugeführte Produktbahn 135 durch eine vorgeschaltete Rotationsumformungsvorrichtung 20 hergestellt werden, wie etwa die hier oben beschriebene.
Alternativ kann die Produktbahn 135 durch eine separate Zuführrolle bereitgestellt werden. Es wird angenommen, daß die Produktbahn 135 individuelle Folien aus Produkt oder Verpackung (z. B. elektrochemische Elementarzellen) enthält, die trennbar an einer Trennschicht der Produktbahn 135 so angebracht sind, wie die durch die hier oben beschriebene zweite Schneidstation 40 hergestellte.
Gemäß dem in 6 dargestellten VL-Stapelungsprozeß ist zwischen einer Vakuumrolle 130 und jedem einer Reihe sich bewegender Pucks 142 ein Laminierungsspalt 147 ausgebildet. Einzelne Folien aus Produkt oder Verpackung, die bevorzugt eine Seite aus klebendem Material enthalten, werden über die Vakuumrolle 130 mit der klebenden Seite nach außen in den Spalt 147 getragen.
Die Produktfolien sind so auf der Vakuumrolle 130 beabstandet, daß dies die Maschinensteuerung erleichtert. Die Produktfolien werden auf der Vakuumrolle 130 empfangen, während sie an einem Ablösepunkt mit kleinem Radius, der an einer Schnittstelle zwischen der Vakuumrolle 130 und einer Abstreiferrolle 134 vorgesehen ist, von dem lösbaren Träger der Produktbahn 135 abgestreift. Bei der Abstreiferrolle 134 werden die Produktfolien von dem lösbaren Träger weg übertragen, beabstandet und auf die Vakuumrolle 130 übertragen. Die Trennschicht wird einer Aufnehmerrolle 124 zugeführt.
In der Sechs-Uhr-Position auf der Vakuumrolle 130 werden die Produktfolien von der Vakuumrolle 130 weg und auf die wachsenden Stapel auf den Pucks 142 übertragen, die in 6 generisch als Rechtecke gezeigt sind. 6 zeigt einen Bahnweg (Bahnweg 1), der als sich abwickelnd zu der Vakuumabzugsrolle 130 dargestellt ist. Dieser Bahnweg kann dazu verwendet werden, die Stapelungsvorrichtung 120 von der Rotationsumformungsvorrichtung 20 zu entkoppeln. Beispielsweise kann die am Ausgang der Rotationsumformungsvorrichtung 20 hergestellte laminierte Bahn an einem Tag aufgewickelt werden und am nächsten Tag abgewickelt und von der Stapelungsvorrichtung 120 verarbeitet werden.
Gemäß einer Ausführungsform werden die Pucks 142 über einen mit einem Steuerriemen oder einer Kette angetriebenen Förderer 202 auf Art einer kontinuierlichen Schleife in den Spalt 147 bewegt. Bei dieser besonderen Ausführungsform und wie weiter in 8A und 8B gezeigt ist, bewegen sich die beabstandeten Pucks 142 in einer gewünschten Richtung entlang einem bogenförmigen Weg entlang einer Seite des Förderers 202, entlang einem Bodenabschnitt des Förderers 202 über die Oberseite des Förderers 202 und kehren zur Oberseite des Förderers 202 entlang einem bogenförmigen Weg entlang der anderen Seite des Förderers 202 zurück. Die Pucks 142 können entlang einem kontinuierlichen Weg auf dem Förderer 202 oder gemäß einem anderen Ansatz entlang einem kontinuierlichen Weg unter Verwendung eines sich hin und her bewegenden Förderers bewegt werden.
Es versteht sich, daß mehr als eine VL-Laminierungsstapelungsvorrichtungen 120 zum Herstellen von Stapeln von Produktfolien auf einer kontinuierlichen Basis hergestellt werden können. Im Fall von beispielsweise zwei VL-Laminierungsstapelungsvorrichtungen 120 kann jede Vorrichtung 120 die gleichen oder andere Materialschichten der gleichen oder anderen Größe/Form auf die Pucks 142 laminieren.
Bei einer weiteren Ausführungsform und wie am besten in den 7A und 7B zu erkennen, werden die Pucks 142 auf Art einer kontinuierlichen Schleife über einen sich hin und her bewegenden Förderer 146a in den in 6 gezeigten Spalt 147 getrieben. Bei dieser Ausführungsform arbeiten ein Paar von sich hin und her bewegenden Linearmotoren 150a, 150b unter der Ebene der Pucks 142. Während der erste Motor 150a einen Puck 142 vorwärts in den Spalt 147 treibt, bremst der zweite Motor 150b die Schlange.
Der führende Motor 150a beschneidet die Geschwindigkeit und Position des führenden Pucks 142, bevor er in den Spalt 147 eintritt. Wenn der führende Puck 142 in den Spalt 147 eintritt, gibt der führende Motor 150a frei und führt eine schnelle leere Rückfahrt durch, um den zweiten Puck 142 in der Schlange dahinter in Eingriff zu nehmen. Um den zweiten Puck 142 in Eingriff zu nehmen, paßt der führende Motor 150a Geschwindigkeit und Position auf den sich bewegenden Puck 142 an (d. h. die Pucks 142 eine Pucklänge zurück von den ersten Pucks in der Schlange) und betätigt einen Greifer 156, der eine Greiferhalterung greift, die vom Boden des Pucks 142 vorsteht.
Der aus dem Spalt 147 austretende Puck 142 wird auf einer Fördererschleife herumgeschoben, um seinen Weg zum Ende der Schlange zu finden. Dieser Puck 142 bewegt sich auf seiner flachen Unterseite auf den sich hin und her bewegenden Förderern 146a. Am Übergang von dem letzten Förderer zu dem Schienen- oder Lageabschnitt, der so gezeigt ist, daß er geradlinige Anlageführungen 154 enthält, ist eine positionsmäßige Toleranz erforderlich, um die linearen Lageführungen 154 in Eingriff zu nehmen. Die Pucks 142 richten sich von selber aus, sobald sie sich auf den geradlinigen Lageführungen 154 befinden.
Die Tandemlinearmotoren 150a, 150b und Greifer 156 bewegen sich hin und her, während sich die Pucks 142 in einer kontinuierlichen Bewegung bewegen. Mit Motorbeschleunigungen von etwa 40 m/s² sind Geschwindigkeiten von etwa 300 Laminierungen pro Minute realisierbar. Diese Produktivitätshöhe ist mit kommerziell erhältlichen Komponenten durchführbar. Diese Schätzwerte basieren auf Pucks 142 mit einer Länge von etwa 100 mm, was zu Straßennenngeschwindigkeiten von etwa 30 Metern pro Minute führt.
Wie ferner in 6 gezeigt wird, erfassen optische Sensoren 138, 133 gegebenenfalls die Pucks 142 und die Produktfolien auf der Vakuumrolle 130. Die Linearmotoren 150a, 150b verwenden zur Positionsrückkopplung in der Regel Linearcodierer.
Innerhalb des Kontextes eines breiter gefaßten Prozesses werden gefüllte Pucks 142 zu Endbearbeitungsstationen gelenkt, während leere Pucks 142 in die stapelnde Schleife eingeführt werden. Es können relativ hohe Spaltdrücke erforderlich sein, um bestimmte Arten von Produkten wie etwa beispielsweise eine Batterie oder Brennstoffzelle, ordnungsgemäß auszubilden. Medizinische Produkte und Verpackungsanwendungen erfordern möglicherweise nicht solche hohen Kräfte. Die in den 7A und 7B gezeigte Implementierung ist dafür ausgelegt, für eine gute mechanische Unterlage unter dem Spalt 147 zu sorgen, wo die Gesamtkraft 600 Pfund oder mehr betragen kann.
Wie in den 7A und 7B dargestellt, bewegen sich die Pucks 142 in einer kontinuierlichen Bewegung von rechts nach links. Unter dem Spalt 147 werden die Pucks 142 auf Rundweglagern und -schienen getragen, oder auf Nockenstößeln, die in maschinell bearbeiteten Laufbahnen laufen. Beide dieser Optionen gestatten, die Pucks 142 zwischen dem Förderer 146a und der geradlinigen Anlageführung 154 zu übertragen. Diese Lager oder Nockenstößel können unabhängig von den geradlinigen Motorlagern implementiert werden und können deshalb so bemessen werden, wie dies zum Aushalten der Laminierungslast erforderlich ist. Die Lager oder Nockenstößel können sich mit den Pucks 142 bewegen oder können stationär sein und so angeordnet sein, daß sie eine „aktive" Spur für die Pucks 142 bilden.
Der Förderer 146a vor dem Schienen-/Führungsabschnitt oder Laminierungstisch 145 treibt die ganze Schlange von Pucks 142 in einer Vorwärtsrichtung mit der nominellen Bandgeschwindigkeit. Die vertikale Steuerung des Spalts 147 kann über den Vakuumrollenabschnitt erfolgen. Die vertikale Steuerung ist erforderlich, um die zunehmende Produkt- oder Pakethöhe auf den Pucks 142 zu berücksichtigen. Entweder die Oberseite der Pucks 142 oder die Vakuumrolle 130 selbst kann mit einem nachgiebigen Material bedeckt sein.
Bei einem Design, das Linearmotoren 150a, 150b verwendet, stützen die linearen Lagerführungen 154 unabhängige Lager, die sowohl die Spulen als auch die Greifer 156 stützen. Wenn geradlinigen Lagerführungen 154 ausreichend stark sind, um die Laminierungskraft auszuhalten, können die Nockenstößel und die maschinell gearbeiteten Laufbahnen entfallen. In diesem Fall würden die Greifer 156 den Puck 142 ganz durch den Spalt 147 befördern, was die Laufbahn etwas länger macht.
Bei einer weiteren Ausführungsform würde keine Vakuumrolle 130 verwendet werden. Die Pucks 142 würden direkt unter einer Ablösestation oder einem anderen Folienzufuhrmechanismus hindurchlaufen, wo die Vorderkante der Produktfolie an die Vorderkante des Stapels geklebt würde. Dieser Ansatz ist denen nicht unähnlich, die bei einer Etikettiermaschine verwendet werden. Der Puck kann dann durch einen Spalt getrieben werden, um die Laminierung zu beenden.
8 veranschaulicht eine Ausführungsform einer DL-Vorrichtung 190, in der Produktfolien in einem Direktlaminierungsansatz von einer abtrennbaren Bahnschicht auf Pucks 142 übertragen werden. Die in 8 gezeigte Direktlaminierungsvorrichtung 190 enthält einen Förderer 202, um den herum sich eine Reihe von Pucks oder Schlitten 142 auf umlaufende Weise bewegen.
Bei dieser besonderen Ausführungsform bewegen sich die beabstandeten Pucks 142 in einer gewünschten Richtung über die Oberseite des Förderers 202, entlang einem bogenförmigen Weg entlang einer Seite des Förderers 202, entlang einem Bodenabschnitt des Förderers 202 und kehren zu der Oberseite des Förderers 202 entlang einem bogenförmigen Weg entlang der anderen Seite des Förderers 202 zurück. Die Pucks 142 können entlang einem kontinuierlichen Weg auf dem Förderer 202 auf eine Weise bewegt werden, die zuvor bezüglich eines VL-Ansatzes beschrieben wurde. Es versteht sich außerdem, daß ein DL-Prozeß alternativ einen sich hin und her bewegenden Förderer des oben beschriebenen Typs verwenden kann.
Wie in 8 dargestellt, wird zwischen einer Laminierungsrolle 212 und jedem der Pucks 142 ein Spalt 214 ausgebildet, wenn sich die Pucks 142 in die Nähe zu der Laminierungswalle 212 bewegen. Bei dieser Ausführungsform wird eine Produktbahn 213 von einer Vorratsrolle 210 abgewickelt und in einen zwischen einer Laminierungsrolle 212 und jedem Puck 142 ausgebildeten Spalt 214 gelenkt, wenn die Pucks 112 in die Nähe zu der Laminierungsrolle 212 bewegt werden. Eine oder mehrere Unterstützungswalzen 201 können an dem Förderer 202 angeordnet sein, um für relativ hohe Laminierungskräfte zu sorgen, die zwischen der Laminierungsrolle 212 und den Pucks 142 entstehen.
Wenn jeder Puck 142 in der Nähe zu der Laminierungsrolle 212 vorbeiläuft, um den Spalt 214 zu bilden, wird eine Produktfolie 216, wie etwa eine elektrochemische Elementarzellenfolie, von der Bahn auf den Puck 142 übertragen. Dieser Puck 142 wird entlang dem Förderer aus der Nähe zu der Laminierungsrolle 212 wegbewegt, und der nächste Puck 142 bewegt sich in die Nähe zu der Laminierungsrolle 212, um den Spalt 214 zu bilden. Eine Produktfolie 216 wird von der Bahn auf diesen Puck 142 übertragen. Dieser Prozeß wird mehrmals wiederholt, um einen Stapel von Produktfolien auf jedem der Pucks 142 zu konstruieren, die unter der Laminierungsrolle 212 umlaufen. Eine vertikale Steuerung des Spalts 214 ist vorgesehen, um die wachsende Höhe des Produkts oder des Pakets auf den Pucks 142 zu berücksichtigen.
Es ist wünschenswert, aber nicht erforderlich, daß die Pucks 142, die an dem Förderer 202 befestigt sind oder sich auf andere Weise darauf bewegen, eine Länge aufweisen, die größer ist als die einer Produktfolie/eines Produktstapels. Bei einer Ausführungsform beträgt die Länge eines Pucks 142 etwa 4 Inch (z. B. 4,09 Inch), die Breite des Pucks 142 beträgt etwa 6 Inch (z. B. 5,91 Inch). Der Abstand zwischen einzelnen Pucks 142 ist etwa gleich der Länge einer Produktfolie/eines Produktstapels.
Gemäß einer Implementierung kann die Produktbahn 213 mit Geschwindigkeiten im Bereich zwischen 0 und 10 Metern/Minute bewegt werden. Die Produktbahnbreite kann etwa 8 Inch betragen. Die Produktfolien können elektrochemische Elementarzellenfolien mit einer Länge von bis zu etwa 17 Inch sein.
Bei der in 8 dargestellten Ausführungsform wird nur eine Laminierungsstation verwendet. Als solche werden nur alternierende Produktfolien, die trennbar an der Bahn angebracht sind, auf die Pucks 142 übertragen, wodurch jede andere Produktfolie an der Bahn befestigt bleibt. Diese nicht verwendeten Produktfolien können mit der Schicht während eines ersten Durchlaufs durch die DL-Vorrichtung 190 aufgewickelt werden und während eines zweiten Durchlaufs hindurchlaufen, um die verbleibenden Produktfolien zur 100%igen Ausnutzung auf jeweilige Pucks 142 zu übertragen.
Die Haftung der Oberseite der auf dem Puck 142 und die nichtklebende Seite der Produktfolie laminierten ersten Produktfolienschicht muß ausreichend hoch sein, um die Produktfolie sauber von der Trennschicht der Bahn abzuziehen. Die Haftung der Unterseite der ersten Schicht an der Oberseite des Pucks 142 muß ausreichend hoch sein, um den Stapel während des restlichen Prozesses zu verankern und ihn bei Bedarf dennoch leicht freizugeben. Im Fall einer elektrochemischen Zellenkonstruktion beispielsweise kann diese erste Schicht eine klebende Elektrolyt/Lithiumfolie/klebende Elektrolyt-Struktur sein und die Oberseite des Pucks 142 kann eine dünne Schicht aus einem inerten lösbaren dielektrischen Material enthalten. In diesem Fall weist jede nachfolgende Schicht in der Regel eine Kathode/Stromsammler/Kathode/Elektrolyt/Lithiumfolie/Elektrolyt-Struktur auf.
Bei einer Ausführungsform liegt die Haftung der Produktfolien an der Trennschicht der Bahn in der Regel im Bereich zwischen etwa 2 Gramm/Inch und etwa 100 Gramm/Inch. Die Haftung zwischen den Produktfolien liegt in der Regel im Bereich zwischen etwa 300 Gramm/Inch und etwa 1200 Gramm/Inch.
Differenzen zwischen einer ersten Schicht und nachfolgenden Schichten in einem DL-Laminierungsprozeß erfordern wahrscheinlich einen Rollenwechsel oder einen Spleiß, nachdem alle Pucks 142 einen ersten Grundierungsdurchgang durch den Spalt 214 gemacht haben. Nach der Fertigstellung des Produktstapels werden die Pucks 142 ausgeladen. Dies kann entweder manuell oder durch den Einsatz eines automatisierten Ausladeprozesses erleichtert werden. Das Abtrennen eines Produktstapels von den Pucks 142 kann beispielsweise durch den Einsatz eines lösbaren Klebers zwischen der Puckoberfläche und der benachbarten Produktstapelschicht bewerkstelligt werden, etwa durch eine dünne Schicht aus einem bereits erwähnten inerten lösbaren dielektrischen Material. Als weiteres Beispiel kann ein Vakuummechanismus, der zum Verankern des Produktstapels an der Puckoberfläche während des Stapelungsprozesses verwendet werden kann, betätigt werden, um einen Gegendruck auf dem Produktstapel zu erzeugen, um das Ausladen des Produktstapels von dem Puck zu erleichtern.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Laminierungsrolle 212 mit Kautschuk bedeckt. Die Pucks 142 sind im wesentlichen flach und starr. Während die mit Kautschuk bedeckte Laminierungsrolle 212 im Spalt 214 verformt wird, bleibt der Produktstapel im wesentlichen flach und relativ unbeansprucht, was allgemein vorteilhaft ist. Eine auf der Oberseite des Pucks 142 vorgesehene Beschichtung kann ausreichend dünn sein, um eine Wärmeübertragung von einer kurzgeschlossenen Zelle in den Puck 142 zu gestatten, was einen potentiellen Sicherheitsvorteil darstellt, wenn es zu einer derartigen Kurzschlußbildung kommt. Weil die Trennschicht bei dieser Ausführungsform nicht um einen Ablösepunkt gebogen wird, könnte sie potentiell wiederverwendet werden, wodurch man Kosteneinsparungen erhält. Ferner sind die Produktfolien immer im positiven Kontakt entweder mit der Bahnschicht oder dem Puck 142 oder beiden, weshalb es unwahrscheinlich ist, daß sie die Ausrichtung oder Registrierung verlieren. Außerdem ist gemäß dieser Ausführungsform keine Vakuumwalze erforderlich, wodurch man weitere potentielle Kosteneinsparungen erhält.
Pucksensoren und Produktsensoren werden bevorzugt verwendet, um die Registrierung der Produktfolien auf den Pucks 142 beizubehalten und die Position der DL-Rolle 212 zu justieren, um die wachsende Höhe des Stapels zu berücksichtigen. Diese Sensoren vereinfachen die Feinabstimmung der Geschwindigkeit und Position des Kettenantriebs und deshalb der Pucks 142 relativ zu den an der Bahn angebrachten Produktfolien. Ein Steuerriemen oder ein anderes Servosystem kann anstelle des über eine Kette angetriebenen Förderers 202 verwendet werden, und bei einem fortgeschrittenen Prozeß müssen die Pucks 142 nicht notwendigerweise am Förderer 202 fixiert sein.
9 veranschaulicht eine DL-Vorrichtung 200, die zwei Laminierungsstationen 202 und 204 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt (z. B. eine einfache Produktbahn, doppelte Laminierungsstationen). 9 zeigt einen DL-Prozeß, der von links nach rechts abläuft. Zwei Laminierungsstationen 202 und 204 sind vorgesehen, die jeweils alternierende, von einer Trägerbahn 213 übertragene Produktfolien 216 auf einen Satz von umlaufenden Pucks 142 laminieren. Insbesondere überträgt eine erste Laminierungsstation 202 jede zweite Produktfolie auf ihre jeweiligen Pucks 142, während die zweite Laminierungsstation 204 die übrigen Produktfolien auf ihre jeweiligen Pucks 142 überträgt. Bei der in 9 gezeigten Ausführungsform enthält jede der Laminierungsstationen 202, 204 einen über eine Kette angetriebenen Förderer 146b, 146c.
Eine Trägerbahn 213 aus Produktfolien 216 wird von einer Vorratsrolle 210 abgewickelt. Die Trägerbahn 213 aus geschnittenen Produktfolien 216 kann unter Herstellung einer Rotationsumformungsvorrichtung und eines Rotationsumformungsverfahrens wie oben erörtert hergestellt werden. Die Trägerbahn 213 läuft in einen Spalt 214, der nacheinander zwischen einer ersten Laminierungsrolle 212 und jedem der Pucks 142 an der ersten Laminierungsstation 202 entsteht. Wegen des Abstands, der zwischen sich auf dem Förderer 146b der ersten Laminierungsstation 202 bewegenden Pucks 142 vorgesehen ist, werden alternierende Produktfolien 216 von der Trägerbahn 213 auf Pucks 142 übertragen, während die Trägerbahn 213 während des DL-Prozesses von der Vorratsrolle 210 abgewickelt und auf eine Aufnahmerolle 222 aufgewickelt wird.
Ein zweiter Spalt 215 an der zweiten Laminierungsstation 204 wird zwischen einer zweiten Laminierungsrolle 220 und jedem der Pucks 142 gebildet, die um den Förderer 146c umlaufen. Die nach dem Durchlauf der durch die erste Laminierungsstation 202 auf der Trägerbahn 213 verbleibenden Produktfolien 216 werden von der Trägerbahn 213 zu Pucks 142 der zweiten Laminierungsstation 204 übertragen. Als solche werden Stapel aus Produktfolien auf Pucks an jeder der beiden Laminierungsstationen während eines kontinuierlichen DL-Prozesses entwickelt. Es sei angemerkt, daß sich die trennbar an der Trägerbahn 213 angebrachten Produktfolien 216 mit oder ohne einem Abstand, der zwischen benachbarten Produktfolien 216 vorgesehen ist, auf der Trägerbahn 213 befinden können.
Es versteht sich, daß mehr als zwei Laminierungsstationen verwendet werden können und daß Prozeßparameter wie etwa Bahngeschwindigkeit, Produktfoliengröße und Puckabstand ordnungsgemäß justiert werden können, um die zusätzlichen Laminierungsstationen zu ermöglichen. Pucksensoren und Produktsensoren werden bevorzugt verwendet, um die Registrierung der Produktfolien auf den Pucks 142 beizubehalten. Diese Sensoren erleichtern die unabhängige Feinabstimmung der Geschwindigkeit und Position der Förderer 146b, 146c (z. B. Kettenantriebe). Ein Steuerriemen oder ein anderes Servosystem kann alternativ anstelle eines über eine Kette angetriebenen Förderers 146b, 146c verwendet werden.
10 veranschaulicht eine DL-Vorrichtung 201 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform veranschaulicht eine Implementierung mit dualer Laminierungsstation und einzelner Förderer-DL-Vorrichtung. Wie dargestellt enthält die DL-Vorrichtung 201 eine einzelne Laminierungsstation 203, die einen Förderer 221 enthält. Eine Bahn 213 aus Produktfolien 216 wird von einer Vorratsrolle 210 abgewickelt und läuft zwischen einer ersten Laminierungsrolle 212 und einer Reihe umlaufender Pucks 142. Alternierende Produktfolien 216 werden an einem ersten Spalt 214 von der Bahn 213 auf die sich bewegenden Pucks 142 übertragen. Die verbleibenden Produktfolien 216 werden an einer zwischen einer zweiten Laminierungsrolle 220 und jedem der Pucks 142 ausgebildeten zweiten Spalte 215 auf sich bewegende Pucks 142 übertragen. Die Trennschicht wird dann auf eine Aufnahmerolle 222 aufgewickelt.
Gemäß einer DL-Implementierung, die die in 10 gezeigte Vorrichtung 201 verwendet, ist die Trägerbahn 213 eine Trennschicht, auf der vorgeschnittene elektrochemische Elementarzellenfolien 216, die alternierende Folien aus Kathode/Stromsammler/Kathode- und Separator/Anode/Separator-Strukturen in einem Stapel enthalten, trennbar getragen werden. Alternativ kann die Trägerbahn 216 vorgeschnittene elektrochemische Elementarzellenfolien 216 tragen, die alternierende Folien aus Separator/Anode/Separator- und Kathode/Stromsammler/Kathode-Strukturen in einem Stapel enthalten.
Gemäß einer Implementierung kann die Produktbahn 213 mit Geschwindigkeiten im Bereich zwischen 0 und 10 Meter/Minute bewegt werden. Die Produktbahn kann etwa 8 Inch breit sein. Die Elementarzellenfolien können eine Länge von bis zu etwa 17 Inch aufweisen.
10 zeigt außerdem mehrere zusätzliche Komponenten, die in anderen Ausführungsformen verwendet werden können, wie etwa die, die in den zuvor erörterten 8 und 9 gezeigt sind. Die DL-Vorrichtung 201 kann eine Bahnführung 223 enthalten, um die Bahnausrichtung zu unterstützen, während die Bahn über eine Spannrolle 219 läuft. Eine IR-Heizvorrichtung 232 kann verwendet werden, um Produktfolien 216 auf eine Solltemperatur zu erwärmen. Ausrichtungssensoren 234 wie etwa optische Sensoren können zum Detektieren der Position der Produktfolien 216 auf der Trägerbahn 213 und der Geschwindigkeit und Position der Pucks 142 und/oder des Kettenantriebs/des Förderers 221 verwendet werden. Der Förderer 221 kann eine oder mehrere servogesteuerte Antriebswalzen 211 enthalten, um die Justierung der Förderergeschwindigkeit während des DL-Prozesses zu erleichtern. Wie bei anderen Ausführungsformen ist eine vertikale Steuerung der Laminierungsrollen 214, 215 vorgesehen, um die wachsende Höhe des Produkts oder Pakets auf den Pucks 142 zu berücksichtigen. Alternativ kann die Zellenhöhe durch Justieren der Höhe des Pucks berücksichtigt werden.
11 veranschaulicht noch eine weitere Ausführungsform einer DL-Vorrichtung 300 gemäß den Grundlagen der vorliegenden Erfindung. Gemäß dieser Ausführungsform werden jeweils mehrere Produktbahnen 306, 326 durch mehrere Laminierungsspalten 214, 215 geschickt, um Stapel aus Folienprodukt oder Verpackung auf einer Reihe von sich kontinuierlich bewegenden umlaufenden Pucks 142 zu konstruieren. Wie gezeigt enthält die Produktbahn 306 Produktfolien, die sich von denen unterscheiden, die entfernbar an der Produktbahn 326 angebracht sind, wobei zu verstehen ist, daß die beiden Produktbahnen 306, 326 die gleiche Art von Produktfolien tragen können. Wie weiter gezeigt wird, weist jede Produktbahn 306, 326 nur einen zugeordneten Laminierungsspalt 214, 215 derart auf, daß jede zweite Produktfolie an jedem Spalt 214, 215 auf jeweilige Pucks übertragen wird. Es versteht sich, daß zwei Laminierungsspalten für jede Produktbahn 306, 326 vorgesehen sein können, so daß alle Produktfolien einer gegebene Bahn während eines einzigen Durchlaufs auf jeweilige Pucks übertragen werden. Es versteht sich weiterhin, daß mehr als zwei Laminierungsspalten für jede Produktbahn 306, 326 vorgesehen sein können, so daß alle Produktfolien einer gegebenen Bahn während eines einzigen Durchlaufs auf jeweilige Pucks übertragen werden.
Ein Vorteil, der beim Implementieren einer DL-Methodologie gemäß dieser Ausführungsform realisiert werden kann, betrifft die Fähigkeit, die Laminierung jeder auf Bahnen 306, 326 getragenen Produktfolie unabhängig davon zu alternieren, welche Produktfolie zuerst auf die Pucks 142 übertragen wird. Beispielsweise kann die Produktbahn 306 elektrochemische Anodenproduktfolien trennbar tragen, elektrochemische Kathodenproduktfolien trennbar tragen, die eine Kathode/Stromsammler/Kathode-Struktur enthalten. Beispielsweise können die Anodenproduktfolien zuerst auf die Pucks 142 laminiert werden, gefolgt von Kathodenproduktfolien, um einen Stapel aus alternierenden Anoden-/Kathodenproduktfolien zu konstruieren.
Gemäß einer Implementierung kann die Produktbahn 306 mit Geschwindigkeiten im Bereich zwischen 0 und 10 Meter/Minute bewegt werden. Die Produktbahnbreite kann etwa 8 Inch betragen. Die Elementarzellenfolien können eine Länge von bis zu etwa 17 Inch aufweisen. Die Produktbahnvorratsrollen 302 und 322 können jeweils einen Durchmesser von bis zu etwa 18 Inch aufweisen.
Nunmehr unter Bezugnahme auf die 12A und 12B wird eine Stapelungs-/Laminierungsvorrichtung 500 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Gemäß dieser Ausführungsform kann die Stapelungs-/Laminierungsvorrichtung 500 dazu verwendet werden, Stapel von Materialien mit einem hohen Präzisionsgrad herzustellen. Die von der Stapelungs-/Laminierungsvorrichtung 500 verarbeiteten Materialien können Materialschichten mit unterschiedlichen Abmessungen und unterschiedlicher Verformbarkeit enthalten.
Gemäß der in den 12A und 12B dargestellten Ausführungsform braucht sich ein Puck während der Übertragung der Produktfolie von der Laminierungsrolle auf den Puck nicht in Bewegung zu befinden. Der Puck kann an einem Förderer angebracht sein oder nicht, doch bei dieser Ausführungsform braucht sich der Förderer während des Laminierungs- oder Stapelbauprozesses nicht in Bewegung zu befinden. Eine Walze wird über den Puck bewegt und gleichzeitig zwischen den Positionen A und B gedreht, so daß ein Punkt auf der Oberfläche der Walze bei jedem Durchlauf an der gleichen Stelle mit dem Puck koppelt. Die Rolle ist in der Lage, die segmentierte Produktfolie in einer fixierten Position auf der Oberfläche der Rolle zu halten. Dies kann durch Vakuum, Elektrostatik oder mit einem Kleber bewerkstelligt werden.
Die Stapelungs-/Laminierungsvorrichtung 500 weist einen justierbaren Mechanismus zum Steuern der Entfernung von der Oberfläche des Pucks zu der Oberfläche der Laminierungsrolle auf. Mit wachsender Stapelhöhe wird die Entfernung vergrößert. Die Rolle kann eine segmentierte Produktfolie oder eine von einer Trägerfolie am Puck getragene segmentierte Produktfolie liefern. Die Vorrichtung 500 ist so ausgelegt, daß zwei verschiedene Laminate oder Laminatverbundstoffe mit Präzisionsausrichtung in einen einzigen Stapel laminiert werden. Paletten aus jedem Laminat könnten an beiden Enden der Maschine für ein Laminataufnehmen vor der Laminierung angebracht werden.
Die Stapelungs-/Laminierungsvorrichtung 500 gemäß einer Ausführungsform verwendet eine Vakuumrolle 502 zum Positionieren und Halten der Materialien. Das Positionieren der Materialien erfolgt durch die Verwendung von Referenzmarken auf der Vakuumrolle 502. Nach dem Plazieren der Fläche aus Material auf der Vakuumrolle 502 unter Verwendung der Rollenreferenzmarkierungen zu ihrer präzisen Plazierung wird die Vakuumrolle 502 vorwärts bewegt, indem sie mit einem Griff 504 gedreht wird. Während sich die Vakuumrolle 502 dreht, bewegt sie sich an einem Mechanismus 506 zur Positionierungsanpassung vorwärts.
Wegen dieser Wechselwirkung wird die von der Vakuumrolle 502 getragene Fläche aus Material immer an der gleichen Stelle auf dem Laminierungspuck 508 vorgelegt, an der es zu der Laminierung kommt. Weil das Flächenmaterial an dem Laminierungspuck 508 oder nachfolgenden Schichten aus Material mit größerer Kraft haftet als die Haltekraft der Vakuumrolle 502, wird die Fläche aus Material von der Vakuumrolle 502 freigegeben und auf den Laminierungspuck 508 übertragen. Die zweite Schicht aus dem Material wird dann auf der Vakuumrolle 502 gemäß einem weiteren Satz von Referenzmarken auf der Vakuumrolle 502 plaziert, wobei solche Referenzmarken von den anwendbaren Laminierungsanforderungen für einen gegebenen Prozeß abhängen, und wird in der umgekehrten Richtung auf dem wachsenden Stapel aus Materialien laminiert. Mit wachsendem Stapel wird eine Schraubenwinde 510 über einen Griff 503 betätigt, um die Höhe des Laminatstapels für einen Spielraum zu senken und um einen durchgehenden Laminierungsdruck aufrechtzuerhalten.
Im Wege einer weiteren Beschreibung enthält die Stapelungs-/Laminierungsvorrichtung 500 eine Station 501 mit einer Stationslaminationsöffnung 503 und einem justierbaren Tisch 505. Der justierbare Tisch 505, der eine obere Oberfläche 507 aufweist, kann hinsichtlich der vertikalen (z. B. Höhe), seitlichen und axialen Achse (z. B. x-, y- und z-Achse) und außerdem hinsichtlich Schwenkbewegung justiert werden. Der justierbare Tisch 505 kann innerhalb der Station 501 und integral mit dieser angeordnet sein und sich unter der Stationslaminationsöffnung 503 der Station 501 befinden. Die Vorrichtung enthält weiterhin einen Puck 508, der an der oberen Oberfläche 507 des justierbaren Tischs angebracht ist. Der Puck 508 kann als Funktion der Bewegung der oberen Oberfläche des justierbaren Tischs bewegt werden. Eine drehbare Laminierungsoberfläche 502 ist zur Bewegung zwischen den Positionen A und B vorgesehen und enthält eine Vorrichtung 506 zur Anpassung der Position des Pucks 508 an die drehbare Laminierungsoberfläche 502.
Eine erste Produktzufuhrvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform führt erste Produktfolien wie etwa Kathodenschichtstrukturen der drehbaren Laminierungsoberfläche 502 zu. Eine zweite Produktzufuhrvorrichtung führt zweite Produktfolien, wie etwa Anodenschichtstrukturen, der drehbaren Laminierungsoberfläche 502 zu. Die erste und zweite Produktzufuhrvorrichtung arbeiten mit der drehbaren Laminierungsoberfläche 502 zusammen, um jeweilige erste und zweite Folien auf den Puck 508 auf einer sich wiederholenden und alternierenden Basis von gegenüberliegenden Enden der Station 501 zu übertragen, um auf dem Puck 508 einen Stapel aus alternierenden ersten und zweiten Produktfolien herzustellen.
Die Folien können durch Einsatz eines Vakuums, eines Klebers, Elektrostatik oder einer Kombination dieser Ansätze an der drehbaren Laminierungsoberfläche 502 gehalten werden. Die Positionsanpassung des Pucks 508 an die drehbare Laminierungsoberfläche 502 erfolgt gemäß einem Ansatz durch die Verwendung einer Zahnstangenvorrichtung 506. Es versteht sich, daß andere Positionsanpassungs- oder -justiermechanismen eingesetzt werden können, wie etwa Walzenlager mit Führungswalzen, Aufnehm- und Ablegevorrichtungen und andere Zahnrad-/Riemen-Baugruppen (als Beispiel).
Die Bewegung der drehbaren Laminierungsoberfläche 502 und der oberen Oberfläche 507 des justierbaren Tischs können manuell bewirkt werden. Alternativ können die Bewegung der drehbaren Laminierungsoberfläche 502 und der oberen Oberfläche 507 des justierbaren Tischs auf voll- oder teilautomatische Weise bewirkt werden, wie etwa durch die Verwendung von einem oder mehreren steuerbaren Elektromotoren.
Bei einer Ausführungsform wird der Puck 508 ganz oder teilweise aus einem wärme- und elektrischisolierenden Material gebildet. Der Puck 508 kann mit Positionsindikatoren versehen sein, wie etwa x-, y- und z-Positionsindikatoren und einem Schwenkbewegungsindikator (als Beispiel). Die Produktzufuhrvorrichtungen können eine oder mehrere Bahnen aus ein- oder mehrschichtigen Folien enthalten und die Folien können Trennschichten enthalten. Die Produktzufuhrvorrichtungen können eine oder mehrere manuell funktionierende Zufuhrvorrichtungen enthalten, die für die manuelle Zufuhr von Folien zu der drehbaren Laminierungsoberfläche 502 sorgen.
Es versteht sich, daß eine große Vielfalt von Materialien unterschiedlicher Typen, Größen und Formen durch Rotationsumformungs- und/oder Stapelungsvorrichtungen und -methodologien gemäß den Grundlagen der vorliegenden Erfindung verarbeitet werden kann. Die Grundlagen der vorliegenden Erfindung können beispielsweise auf die Konstruktion von Laminatbrennstoffzellen angewendet werden.
Gemäß einer Ausführungsform können elektrochemische Einrichtungen, einschließlich Protonenaustauschmembranbrennstoffzellen, Sensoren, Elektrolysezellen, Chlor-Alkali-Separationsmembranen und dergleichen aus Membranelektrodenbaugruppen (MEAs) konstruiert werden. Derartige MEAs enthalten mindestens einen Elektrodenabschnitt, der ein katalytisches Elektrodenmaterial wie etwa Platin (Pt) in Kontakt mit einer ionenleitenden Membran enthält. Ionenleitende Membranen (ICMs) werden oftmals als feste Elektrolyten in elektrochemischen Zellen verwendet.
Bei einer typischen Brennstoffzelle beispielsweise steht eine ICM in Kontakt mit einer Kathode und einer Anode und transportiert an der Anode gebildete Ionen zu der Kathode, wodurch Strom in einer die Elektroden verbindenden externen Schaltung fließen kann. Die zentrale Komponente einer elektrochemischen Zelle, wie etwa einer Brennstoffzelle, Sensor, Elektrolysezelle oder elektrochemischer Reaktor, ist eine dreischichtige Membranelektrodenbaugruppe oder MEA. Die MEA enthält im allgemeinsten Sinne zwei katalysierte Elektroden, zwischen denen ein ionenleitender Elektrolyt, bevorzugt ein fester Polymerelektrolyt, geschichtet ist. Diese dreischichtige MEA ist wiederum zwischen zwei porösen, elektrisch leitenden Elementen geschichtet, die als Elektrodenträgerschichten (EBLs) bezeichnet werden, um eine fünfschichtige MEA zu bilden.
Die Vorrichtungen und Verfahren der vorliegenden Erfindung können beispielsweise dazu verwendet werden, um eine Kathode und eine Anode in Übereinstimmung miteinander mit einer ICM zu verbinden und in einem nachfolgenden Schritt die dreischichtige MEA mit jeweiligen kathodenseitigen EBLs zu verbinden, um eine fünfschichtige MEA herzustellen. Alternativ können im voraus ausgebildete Teilbaugruppen der fünfschichtigen MEA zusammengebracht werden, um die fertiggestellte MEA herzustellen. Beispielsweise kann eine Teilbaugruppe, die eine EBL umfaßt, mit der eine Elektrodenschicht verbunden worden ist, mit einer Teilbaugruppe verbunden werden, die eine EBL umfaßt, mit der eine zweite Elektrode, die weiterhin eine ICM trägt, verbunden worden ist.
Andere Arten von Laminatstapeln können gemäß den Grundlagen der vorliegenden Erfindung produziert werden. Die 13–18 zeigen verschiedene unterschiedliche Arten von Laminatstapeln, die unter Verwendung eines rotationsumformenden und/oder VL/DL-Stapelungsansatzes der vorliegenden Erfindung produziert werden können.
13 veranschaulicht einen Laminatstapel aus mehrfarbigen Folien aus Material. Mehrere Schichten aus farbigen oder gedruckten Folien können miteinander laminiert und in eine gewünschte Form geschnitten und dann gestapelt werden. Beispielsweise können fünf verschiedene Bahnen aus Produkt, die jeweils eine eigene Farbe aufweisen, wobei ein Abschnitt der Rückseite Kleber enthält, miteinander laminiert und in eine gewünschte Form geschnitten werden. Dieser Stapel kann auf einem Puck plaziert werden, der umläuft, bis mehrere Laminationen aufgestapelt sind, wobei dann jeder Puck aus der umlaufenden Schleife herausbewegt und durch einen leeren Puck ersetzt wird.
14 zeigt mehrere Schichten einer einfarbigen Folie aus Papier oder Film, wobei ein Abschnitt der Rückseite einen Kleber aufweist, die zusammen laminiert und an einer ersten Schneidstation (z. B. Rotationsziehstation) in eine gewünschte Form geschnitten werden. Der geschnittene Stapel wird auf einem Puck plaziert. Bei einer zweiten Bahnstraße werden mehrere Schichten einer zweiten Farbe, wobei ein Abschnitt der Rückseite einen Kleber aufweist, zusammen laminiert und an einer zweiten Schneidstation in eine gewünschte Form geschnitten. Dieser geschnittene Stapel wird auf einen Puck mit einem Stapel plaziert, der an der ersten Schneidstation geschnitten wurde.
Dieser Prozeß kann für insgesamt fünf diskrete Bahnstraßen fortgesetzt werden (als Beispiel). Die Pucks bewegen sich je nach der Reihenfolge, in der die Stapel hergestellt werden sollen, von Bahnstraße zu Bahmstraße. Nachdem ein Pad fertiggestellt ist, wird jeder Puck aus der Stapelungsvorrichtung bewegt und durch einen leeren Puck ersetzt. Der fertiggestellte Puck wird zu einem Auspackabschnitt bewegt.
15 veranschaulicht einen Produktstapel oder ein Produktpad, daß dem in 14 gezeigten ähnlich ist. Der in 15 dargestellte Produktstapel weist eine ovale Form auf, wohingegen der in 14 gezeigte Produktstapel eine quadratische oder rechteckige Form aufweist. Es versteht sich, daß die Form des in 14 und 15 gezeigten Produktstapels wie benötigt oder erwünscht variieren kann.
16 veranschaulicht einen weiteren Produktstapel oder ein weiteres Produktpad, das dem in 14 und 15 dargestellten ähnlich ist, doch die Formen von verschiedenen Schichten ändern sich, wobei zu verstehen ist, daß sich die Farbe der Folien (z. B. Papier oder Film) ändern kann oder nicht. 17 zeigt einen Produktstapel, der dem in den 14 und 15 mit der Ausnahme ähnlich ist, daß jede Folie eine andere Form aufweist und jeweils nur eine Folie auf den Puck aufgetragen wird. Es können auch mehrere Formen vorliegen, wobei mehr als fünf diskrete Schneidstationen erforderlich sein können.
18 zeigt einen Pack medizinischer Verbände, die gemäß den Grundlagen der vorliegenden Erfindung gestapelt sind. Eine untere Bahn wirkt wie als die untere Folie eines sterilen Pakets und wirkt auch als der Liner für das Produkt. Ein gemusterter Klebstoff wird auf die Paketbahn auf der Seite aufgetragen, auf der sich nicht der Liner befindet. Der medizinische Verband wird vor diesem Prozeß umgeformt, und jeder Verband wird geschnitten und auf die Liner-/Verpackungsbahn plaziert. Diese Verpackungsbahn wird geschnitten und auf einen Puck plaziert, der zurück umläuft, und ein weiterer Verband auf der Verpackungsbahn wird geschnitten und auf der Oberseite des Stapels plaziert. Dies kann beispielsweise zwischen 10 und 50 Mal wiederholt werden.
Nachdem alle die Verbände auf dem Puck plaziert sind, wird eine obere Verpackungsbahn auf der Oberseite des Stapels aufgetragen, um als der Deckfilm des Verbands auf der Oberseite des Stapels zu dienen. Zur Verwendung des Produkts wird die obere Bahn entfernt, wodurch der Verband freigelegt wird. Nachdem der Verband entfernt worden ist, wird die untere Verpackungsbahn/der untere Produktliner für den vorausgegangenen Verband nun die obere Verpackungsbahn für das nächste Produkt.
Die vorausgegangene Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung wurde zum Zweck der Veranschaulichung und Beschreibung vorgelegt. Sie soll nicht erschöpfend sein oder die Erfindung auf die offenbarte präzise Form beschränken. Angesichts der obigen Lehren sind viele Modifikationen und Variationen möglich. Der Schutzbereich der Erfindung soll nicht durch diese ausführliche Beschreibung beschränkt werden, sondern vielmehr durch die hier angefügten Ansprüche.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Reihe elektrochemischer Dünnfilm-Elementarzellen, das folgendes aufweist: – Schneiden einer Bahn (Kathodenbahn), die eine sich mit einer ersten Geschwindigkeit bewegende Kathodenschichtstruktur aufweist, in eine Reihe von Kathodenfolien, – Bewegen jeder der Kathodenfolien mit einer zweiten Geschwindigkeit, die gleich der oder größer als die erste Geschwindigkeit ist, – Laminieren jeder der sich mit der zweiten Geschwindigkeit bewegenden Kathodenfolien auf eine Bahn (Anodenbahn), die eine sich mit der zweiten Geschwindigkeit bewegende Anodenschichtstruktur aufweist, um eine laminierte Elementarzelle mit einem Raum zwischen benachbarten Kathodenfolien herzustellen, und – Schneiden der laminierten Anodenbahn innerhalb des Raums zwischen benachbarten Kathodenfolien, um eine Reihe von Elementarzellenfolien herzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schneiden der Kathodenbahn das Schneiden eines Teils der Kathodenbahn und Entfernen überschüssiger Kathodenbahn aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Schneiden der Kathodenbahn das drehende Schneiden der Kathodenbahn aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Laminieren jeder der Kathodenfolien auf die Anodenbahn weiterhin das drehende Bewegen jeder der Kathodenfolien mit der zweiten Geschwindigkeit aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Laminieren jeder der Kathodenfolien auf die Anodenbahn weiterhin das drehende Bewegen der Anodenbahn mit der zweiten Geschwindigkeit aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Laminieren jeder der Kathodenfolien auf die Anodenbahn weiterhin das drehende Bewegen jeder der Kathodenfolien mit der zweiten Geschwindigkeit aufweist, während die Anodenbahn mit der zweiten Geschwindigkeit drehend bewegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei jede der Kathodenfolien durch eine Länge (L) zwischen etwa 0,635 cm (0,25 Inch) und etwa 60,96 cm (24 Inch) definiert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Raum (S) zwischen benachbarten Kathodenfolien im Bereich zwischen etwa 0,038 cm (0,015 Inch) und etwa 1,016 cm (0,4 Inch) liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei ein Verhältnis der zweiten Geschwindigkeit bezüglich der ersten Geschwindigkeit im Bereich zwischen etwa 1,005 und etwa 1,05 liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die erste Geschwindigkeit im Bereich zwischen etwa 0,0254 m/s (5 Fuß pro Minute) und etwa 2,54 m/s (500 Fuß pro Minute) und die zweite Geschwindigkeit im Bereich zwischen etwa 0,0255 m/s (5,025 Fuß pro Minute) und etwa 2,55 m/s (525 Fuß pro Minute) liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Laminieren jeder der Kathodenfolien auf die Anodenbahn weiterhin das Laminieren jeder der Kathodenfolien auf die Anodenbahn derart umfaßt, daß sich ein Teil jeder Kathodenfolie über mindestens eine Kante der Anodenschichtstruktur der Anodenbahn erstreckt, um einen Laminierungs-Offset dazwischen zu erzeugen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Laminieren jeder der Kathodenfolien auf die Anodenbahn weiterhin das Erhitzen einer oder beider der Kathodenfolien oder der Anodenbahn aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Schneiden der laminierten Anodenbahn ferner das Detektieren des Raums zwischen benachbarten Kathodenfolien aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Schneiden der laminierten Anodenbahn ferner das optische Detektieren des Raums zwischen benachbarten Kathodenfolien aufweist.