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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum Prägen von
expandiertem Graphitlagenmaterial unter Unterdruck.
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Hintergrund
der Erfindung
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Elektrochemische
Brennstoffzellen wandeln Reaktionspartner um, nämlich Brennstoff und Oxidationsmittel,
um elektrische Energie und Reaktionsprodukte zu erzeugen. Elektrochemische
Brennstoffzellen umfassen im Allgemeinen einen Elektrolyten, der
zwischen zwei Elektroden, nämlich
einer Kathode und einer Anode angeordnet ist. Die Elektroden umfassen
beide einen Elektrokatalysator, der an einer Grenzfläche zwischen
dem Elektrolyten und den Elektroden angeordnet ist, um die gewünschten
elektrochemischen Reaktionen zu induzieren. Der der Anode zugeführte Brennstofffluidstrom
kann ein Gas sein, wie z.B. im Wesentlichen reiner Wasserstoff oder
ein Wasserstoff umfassender Reformatstrom. Alternativ dazu kann
ein Flüssigbrennstoffstrom
verwendet werden, wie z.B. wässriges
Methanol. Der der Kathode zugeführte
Oxidationsmittelfluidstrom umfasst typischerweise Sauerstoff, wie
etwa im Wesentlichen reinen Sauerstoff, oder einen verdünnen Sauerstoffstrom,
wie etwa Luft.
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Feststoffpolymerelektrolyt-Brennstoffzellen umfassen
einen Feststoffpolymerelektrolyten, der auch als Ionenaustauschmembran
bezeichnet wird. Die Membran ist typischerweise zwischen zwei Elektrodenschichten
angeordnet, wodurch eine Membranelektrodenanordnung ("MEA" – membrane electrode assembly)
gebildet wird. Obgleich die Membran typischerweise selektiv protonenleitend
ist, dient sie auch als Sperre, die die Brennstoff- und Oxidationsmittelströme auf einander
gegenüberliegenden
Seiten der MEA voneinander trennt. Die MEA ist typischerweise zwischen
zwei Platten angeordnet, um eine Brennstoffzellenanordnung zu bilden.
Die Platten fungieren als Stromkollektoren und stellen eine Halterung
für die
benachbarten Elektroden bereit. Die Anordnung wird typischerweise
zusammengepresst, um einen guten elektrischen Kontakt zwischen den
Platten und den Elektroden sowie eine angemessene Abdichtung zwischen
Brennstoffzellenkomponenten zu begünstigen. Mehrere Brennstoffzellenanordnungen
können
in Reihe oder parallel zueinander verbunden werden, um einen Brennstoffzellenstapel
zu bilden. In einem Brennstoffzellenstapel kann eine Platte von
zwei benachbarten Brennstoffzellenanordnungen gemeinsam benutzt
werden, in welchem Fall die Platte auch als Trennwand dient, um
die Fluidströme
der zwei benachbarten Brennstoffzellenanordnungen fluiddicht voneinander
zu isolieren.
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Brennstoffzellenplatten,
die als Fluidströmungsfeldplatten
bekannt sind, weisen offene Kanäle
auf, die in einer oder beiden der einander entgegengesetzten Hauptflächen ausgebildet
sind, um Reaktionspartner und/oder Kühlflüssigkeiten zu spezifischen
Abschnitten solcher Hauptflächen
zu leiten. Die offenen Kanäle
stellen außerdem
Durchgänge zur
Entfernung von Reaktionsprodukten, verarmten Reaktionspartnerströmen und/oder
erwärmten
Kühlmittelströmen bereit.
Eine Darstellung einer Fluidströmungsfeldplatte
ist beispielsweise in dem US-Patent Nr. 4,988,583, erteilt am 29.
Januar 1991, zu sehen. Dort wo die Hauptfläche einer Fluidströmungsfeldplatte
einer MEA zugewandt ist, leiten die offenen Kanäle typischerweise einen Reaktionspartner
im Wesentlichen über
den gesamten elektrochemisch aktiven Bereich der angrenzenden MEA.
Dort wo die Hauptfläche
einer Fluidströmungsfeldplatte
einer anderen Fluidströmungsfeldplatte
zugewandt ist, können
die durch ihre zusammenwirkenden Oberflächen gebildeten Kanäle dazu
verwendet werden, Kühlmittel
zum Steuern der Temperatur der Brennstoffzelle zu befördern.
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Herkömmliche
Verfahren zur Herstellung von Fluidströmungsfeldplatten machen das
Gravieren oder Fräsen
von Strömungskanälen in die
Oberfläche
starrer Platten erforderlich, die aus graphitierten Kohlenstoff-/Harz-Verbundwerkstoffen
geformt sind. Diese Herstellungsverfahren schränken die minimal erreichbare
Zellendicke aufgrund des Bearbeitungsverfahrens, der Plattendurchlässigkeit
und der erforderlichen mechanischen Eigenschaften erheblich ein.
Des Weiteren sind solche Platten teuer, und zwar sowohl im Hinblick
auf die Rohstoffkosten als auch auf die Bearbeitungskosten. Die
maschinelle Einarbeitung von Kanälen
und dergleichen in die Graphitplattenoberflächen verursacht einen erheblichen Werkzeugverschleiß und erfordert
beträchtliche
Bearbeitungsdauern.
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Wie
in dem US-Patent Nr. 5,300,370, erteilt am 5. April 1994, beschrieben
ist, können
die Fluidströmungsfeldplatten
alternativ dazu durch ein Laminierverfahren hergestellt werden,
bei dem eine elektrisch leitende, fluidundurchlässige Trennschicht und eine
elektrisch leitende Schablonenschicht miteinander verbunden werden,
um wenigstens einen offenen Kanal auszubilden. Derartige laminierte
Fluidströmungsfeldanordnungen
haben, infolge der Anzahl der Herstellungsschritte, die mit dem
Ausbilden und Verbinden der separaten Schichten verbunden sind, häufig höhere Herstellungskosten
als einschichtige Platten.
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Alternativ
dazu können
Fluidströmungsfeldplatten
aus einem elektrisch leitenden, im Wesentlichen fluidundurchlässigen Material
gefertigt werden, das ausreichend komp rimierbar oder formbar ist,
um ein Prägen
zu ermöglichen.
Eine Lage aus expandiertem Graphit ist im Allgemeinen für diesen
Zweck geeignet, da sie für
typische Brennstoffzellenreaktionspartner und -kühlmittel relativ undurchlässig und somit
dazu imstande ist, die Brennstoff-, Oxidationsmittel- und Kühlmittelfluidströme fluiddicht
voneinander zu isolieren, sie ist außerdem komprimierbar und es
kann ein Prägeverfahren
verwendet werden, um die die Kanäle
in einer oder beiden Hauptflächen auszubilden.
Beispielsweise beschreibt das US-Patent Nr. 5,527,363, erteilt am
18. Juni 1996 Fluidströmungsfeldplatten,
die eine Metallfolie oder ein Metallblech umfassen, die/das zwischen
zwei Lagen aus expandiertem Graphit angeordnet ist, die auf eine
ihrer Hauptflächen
geprägte
Strömungskanäle aufweisen.
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Das
Prägen
von expandiertem Graphitlagenmaterial kann jedoch problematisch
sein. Während des
Prägenverfahrens
kann ein Gas (z.B. Luft), das beim Komprimieren in vorteilhafter
Weise freigesetzt werden würde,
im Lagenmaterial eingeschlossen werden, was zu einer Delaminierung
und/oder Blasenbildung des geprägten
Materials führen
könnte. Bei
manchen Anwendungen, beispielsweise etwa bei Fluidströmungsfeldplatten
in einer Brennstoffzelle, ist eine Delaminierung und/oder Blasenbildung
der Lagenplatten aus expandiertem Graphit unerwünscht. Die Delaminierung und/oder
Blasenbildung kann beispielsweise die Platte schwächen und
sie fluiddurchlässiger
machen. Das Plattenmaterial wird infolgedessen außerdem weniger
homogen und kann unerwünschte örtliche
Unterschiede in der Leitfähigkeit aufweisen.
Eine Delaminierung und/oder Blasenbildung kann außerdem Oberflächenmängel verursachen,
die die Strömungskanäle auf der
Platte beeinträchtigen.
Des Weiten können
die vorstehenden Probleme während
der Herstellung schwierig festzustellen sein und sich erst zu einem
späteren
Zeitpunkt bemerkbar machen. Schließlich kann, bei Anwendungen,
bei denen die geprägte
Platte später
mit einem Harz imprägniert
wird, eine Delaminierung und/oder Blasenbildung zu Hohlräumen im
Plattenmaterial führen,
die sich mit Harz füllen.
Wenn das verwendete Harz nicht leitfähig ist, kann dies zu in der
Platte verteilten, unerwünschten,
nicht leitenden Bereichen führen.
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JP 10040937 A offenbart
ein Verfahren zur Herstellung eines Kollektors für eine Brennstoffzelle sowie
eine entsprechende Herstellungsvorrichtung. Ein thermisch expandierbares
Graphitpulver wird durch Formpressen in die gewünschte Form gebracht, wobei
der Druck in einem einen Ober- und einen Unterstempel umgebenden
Hohlraumabschnitt mittels Unterdruckpumpen verringert wird, so dass das
Formpressen ausgeführt
werden kann, ohne Blasen in dem thermisch expandierbaren Graphitpulver zurückzulassen.
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US 3,795,471 betrifft eine
Vorrichtung zum Prägen
von Mustern in eine Außenfläche von
Extrudaten eines thermoplastischen Materials. Ein hohles Kunststoffextrudat,
das sich in einem plastischen Zustand befindet und formbar ist,
wird zwischen Formgebungsbändern
hindurchgeführt,
die aus einem porösen
Material gefertigt sind, wie etwa Papier oder Filz, und auf ihren
Oberflächen
die gewünschten Muster
aufweisen, die in die Oberfläche
des thermoplastischen Materials geprägt werden sollen. Eine geeignete
Pumpe, die mit einer oberen und einer unteren Kammer verbunden ist,
wird dazu verwendet, einen Unterdruck auf die Formgebungsoberflächen der
Formgebungsbänder
auszuüben.
Aufgrund des auf die Oberflächen
der Formgebungsbänder
wirkenden Unterdruckes und des Atmosphärendrucks in dem hohlen Extrudatmaterial
wird die Oberfläche
des Extrudatmaterials gegen die Oberflächen der Formgebungsbänder gedrückt, so
dass die auf den Oberflächen
der Formgebungsbänder
bereitgestellten Muster in die Außenfläche des thermoplastischen Materials
geprägt
werden.
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GB 758,036 A offenbart ein
Verfahren zum Prägen
eines Thermoplastlagenmaterials, bei dem eine Lage an ihren Rändern gehalten
wird, so dass sie einer mit einem Muster versehenen oder unregelmäßigen Oberfläche eines
in geeigneter Weise gehaltenen luftdurchlässigen Faservlieses zugewandt und
unter Abstand von diesem angeordnet ist. Danach wird die Lage auf
eine Temperatur erwärmt,
bei der sie einen plastischen Zustand annimmt. In einem nachfolgenden
Schritt wird die Luft schnell einem Zwischenraum zwischen der Lage
und dem Vlies entzogen, so dass die im plastischen Zustand befindliche
Lage plötzlich
in einen engen Gesamtkontakt mit der Oberfläche des Vlieses gesaugt wird.
Schließlich wird
die Lage bei einer unterhalb des plastischen Zustands liegenden
Temperatur vom Vlies entfernt.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Ein
verbessertes Verfahren zum Prägen
von expandiertem Graphitlagenmaterial umfasst das Entfernen wenigstens
eines Teils des Gases aus dem Inneren des Materials, indem das Material
einem Druck ausgesetzt wird, der niedriger als Atmosphärendruck ist,
und das anschließende
Prägen
des Materials. Das Material kann beispielsweise in einer Prägeatmosphäre bei einem
reduzierten Druck geprägt
werden, der niedriger als Atmosphärendruck ist, wobei ein reduzierter
Druck zumindest während
des Prägeschrittes
aufrechterhalten wird. Der Druck, dem das expandierte Graphitlagenmaterial
ausgesetzt wird, ist vorzugsweise kleiner oder gleich ungefähr 533 mbar
(400 Torr). Besonders bevorzugt ist der Druck kleiner als 467 mbar
(350 Torr), besonders bevorzugt kleiner als 227 mbar (170 Torr)
und insbesondere bevor zugt kleiner als 66,7 mbar (50 Torr). Die
Prägeatmosphäre kann
ein Inertgas, wie z.B. Stickstoff, Helium und Argon enthalten. Das
Verfahren kann ferner das fortgesetzte Evakuieren von Gasen aus
der Prägeatmosphäre während des
Prägeschritts
umfassen.
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Das
expandierte Graphitlagenmaterial kann mehrere Lagenmaterialien umfassen,
die wenigstens eine Lage aus expandiertem Graphit enthalten, und das
Verfahren kann ferner das Laminieren der mehreren Lagenmaterialien
während
des Prägeschritts einschließen. Die
mehreren Lagenmaterialien können
wenigstens eine Lage Metallfolie umfassen.
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Eine
verbesserte Vorrichtung zum Prägen von
expandiertem Graphitlagenmaterial bei einem Druck, der niedriger
als Atmosphärendruck
ist, umfasst:
- (a) wenigstens eine Prägeeinrichtung,
- (b) wenigstens eine Presseinrichtung, die dafür ausgelegt
ist, die Prägeeinrichtung
gegen das Material zu drücken,
- (c) eine Prägekammer,
die die wenigstens eine Prägeeinrichtung
umfasst und dafür
ausgelegt ist, das Material aufzunehmen und im Wesentlichen zumindest
dann gasdicht zu sein, wenn die Prägeeinrichtung durch die Presseinrichtung
gegen das Material gedrückt
wird, und
- (d) eine Evakuierungseinrichtung zum Reduzieren des Druckes
in der Prägekammer.
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Die
wenigstens eine Prägeeinrichtung
kann aus Plattenstempeln oder Rollstempeln und die wenigstens eine
Presseinrichtung aus Drucktiegeln oder Walzen bestehen. Die Vorrichtung
umfasst ferner wenigstens ein der Prägekammer zugeordnetes Dichtungselement,
um in dieser eine gasdichte Abdichtung aufrechtzuerhalten. Das Dichtungselement kann
wenigstens einen O-Ring, Faltenbalge, eine komprimierbare Dichtung
oder eine aufblähbare
Blase umfassen. Die Evakuierungseinrichtung kann den Druck in der
Prägekammer
vorzugsweise auf kleiner oder gleich ungefähr 533 mbar (400 Torr) senken. Besonders
bevorzugt kann die Evakuierungseinrichtung den Druck in der Prägekammer
auf kleiner als 467 mbar (350 Torr), besonders bevorzugt auf kleiner als
227 mbar (170 Torr) und insbesondere bevorzugt auf kleiner als 66,7
mbar (50 Torr) senken.
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Die
Vorrichtung kann ferner eine Inertgasquelle umfassen, die mit der
Prägekammer
in Strömungsverbindung
gebracht werden kann. Das Inertgas kann aus einer Gruppe ausgewählt werden,
die aus Stickstoff, Helium und Argon besteht.
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Eine
weitere verbesserte Vorrichtung zum Prägen von expandiertem Graphitlagenmaterial
umfasst:
- (a) eine Kammer, die dafür ausgelegt
ist, das Material aufzunehmen und einen reduzierten Druck, der niedriger
als Atmosphärendruck
ist, wenigstens dann aufrechtzuerhalten, wenn sich das Material
in der Kammer befindet,
- (b) einen Evakuierungsmechanismus zum Reduzieren des Druckes
in der Prägekammer,
und
- (c) wenigstens einen der Kammer zugeordneten Rollstempel zum
Aufnehmen des Materials aus der Kammer.
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Bei
einer Ausführungsform
umfasst die Kammer der Vorrichtung wenigstens ein elastisches Element,
das sich von einer Innenfläche
der Kammer erstreckt und dafür
ausgelegt ist, das Material zu berühren. Die Kammer kann beispielsweise
einen oberen Abschnitt und einen unteren Abschnitt aufweisen, wobei
der obere Abschnitt mehrere elastische Dichtungselemente umfasst,
die sich von diesem nach unten erstrecken, und der untere Abschnitt
mehrere elastische Dichtungselemente umfasst, die sich von diesem
nach oben erstrecken, und wobei beide Sätze Dichtungselemente dafür ausgelegt
sind, das Material zu berühren.
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Die
vorstehende Ausführungsform
kann ferner wenigstens eine Zuführwalze
zum Führen
des Materials zur Kammer umfassen. Die Zuführwalze kann beispielsweise
eine Nadelwalze sein.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
umfasst die Kammer der Vorrichtung wenigstens zwei Walzen, die dafür ausgelegt
sind, eine Hauptfläche
des Materials zu berühren,
so dass zwischen jeder der Walzen und der Oberfläche des Materials eine im Wesentlichen
gasdichte Abdichtung gebildet wird. Die Kammer kann wenigstens zwei
Paare einander gegenüberliegender
Walzen umfassen, wobei jedes der Paare einander gegenüberliegender
Walzen dafür
ausgelegt ist, einander entgegengesetzte Hauptflächen des Materials zu berühren. Wenigstens
eine der Walzen kann dem oder den der Vorrichtung zugeordneten Rollstempel(n)
entsprechen.
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Die
Ausführungsform
der Vorrichtung kann ferner wenigstens ein der Kammer zugeordnetes Dichtungselement
umfassen, um in dieser eine gasdichte Abdichtung aufrechtzuerhalten.
Das Dichtungselement kann beispielsweise ein an jedem Ende der Walze(n)
angeordnetes Dichtungselement, ein elastisches Element, das dafür ausgelegt
ist, die zylindrische Oberfläche
der Walze(n) zu berühren, oder
beides umfassen.
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Die
Walze(n) können
angetrieben werden oder die Vorrichtung kann ferner wenigstens eine
Zuführwalze
umfassen, wie etwa eine Nadelwalze, um das Material zur Kammer zu
führen.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine teilweise auseinandergezogene Schnittansicht einer Ausführungsform
der vorliegenden Prägevorrichtung.
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2a und 2b sind
teilweise auseinandergezogene Schnittansichten einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Vorrichtung.
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3 ist
eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden
Prägevorrichtung.
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4a und 4b sind
Schnittansichten einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden
Prägevorrichtung.
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5 ist
eine teilweise auseinandergezogene Schnittansicht einer weiteren
Ausführungsform der
vorliegenden Prägevorrichtung.
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6a und 6b sind
Schnittansichten einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden
Vorrichtung.
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7a ist
eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden
Vorrichtung.
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7b ist
eine Schnittansicht des Abschnitts der Vorrichtung gemäß 7a,
der mit A bezeichnet ist.
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7c ist
eine Draufsicht der unteren Hälfte des
Abschnitts der Vorrichtung gemäß 7a,
der mit A bezeichnet ist.
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7d ist
eine Seitenansicht zweier Ausführungsformen
von Dichtungen, die in die Vorrichtung gemäß 7a eingebaut
werden können.
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8 ist
eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden
Vorrichtung.
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9 ist
eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden
Vorrichtung.
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Genaue Beschreibung der
bevorzugten Ausführungsform(en)
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Wie
in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen verwendet, sind mit "expandiertem Graphitlagenmaterial" Lagenmaterialien
gemeint, die expandierten Graphit umfassen, einschließlich Verbundwerkstoffe
desselben, wie z.B. der in dem US-Patent Nr. 5,885,728, erteilt
am 23. März
1999, beschriebene Verbundwerkstoff. "Expandiertes Graphitlagenmaterial" umfasst außerdem Laminate,
die eine oder mehrere expandierten Graphit umfassende Schichten)
enthalten.
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Wie
vorstehend erwähnt,
kann beim Prägen von
expandiertem Graphitlagenmaterial Gas, das beim Komprimieren in
vorteilhafter Weise freigesetzt werden würde, im Lagenmaterial eingeschlossen werden,
was zu einer unerwünschten
Delaminierung und/oder Blasenbildung in der geprägten Lage führen könnte. Ohne Einschränkung durch
eine Theorie, nimmt man an, dass Gas infolge der Anisotrophie des Lagenmaterials
eingeschlossen wird. Gase (Fluide im Allgemeinen) neigen dazu, in
dem expandierten Graphitlagenmaterial schnell in parallel zu den
einander gegenüberliegenden
parallelen planaren Oberflächen
der Lage und den Ebenen der diese bildenden Graphitpartikel verlaufende
Richtungen zu strömen. Die
Oberflächenschichten
von expandiertem Graphitlagenmaterial neigen jedoch aufgrund der
parallelen Ausrichtung der expandierten Graphitpartikel und der
diese bildenden Atomschichten dazu, der Fluidströmung in "Z-Richtung" entgegen zu stehen, das heißt, in rechtwinklig
zu den einander gegenüberliegenden
parallelen planaren Oberflächen
der Lage verlaufende Richtungen. Daher neigen Gase während des
Prägens
dazu, nicht in Z-Richtung aus dem Lagenmaterial herauszuströmen, sondern
stattdessen aus den Rändern
auszuströmen.
Dies kann dazu führen,
dass Gas während
des Prägens
in dem expandierten Graphitlagenmaterial eingeschlossen wird. Das
Entfernen wenigstens eines Teils des Gases im Inneren des expandierten
Graphitlagenmaterials vor oder gleichzeitig mit dem Prägen kann
eine Blasenbildung oder Delaminierung im fertigen geprägten Produkt
verringern oder verhindern. Eine Möglichkeit der Entfernung wenigstens
eines Teils des Gases im Inneren der Lage aus expandiertem Graphit
besteht darin, es bei einem Druck zu prägen, der niedriger als Atmosphärendruck
ist.
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1 ist
eine teilweise auseinandergezogene Schnittansicht einer Ausführungsform
der vorliegenden Prägevorrichtung.
Bei einer Prägevorrichtung 100 wird
eine Lage aus expandiertem Graphit 102 zwischen einem Stempel 104 und
einer Stützplatte 106 platziert.
Eine Hülse 108 ist
dafür ausgelegt,
die Stützplatte 106 und
den Stempel 104 aufzunehmen. Alternativ könnten die
Stützplatte
und die Hülse 108 auch
eine einheitliche Struktur bilden. Zusammenwirkende Oberflächen der
Hülse 108,
der Stützplatte 106 und
des Stempels 104 begrenzen eine Prägekammer 110. Die
Hülse 108 ist
außerdem dafür ausgelegt,
einen Kolben 112 aufzunehmen, an dem der Stempel 104 abnehmbar
befestigt ist (in 1 abgelöst dargestellt).
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Im
Betrieb liegt die Lage aus expandiertem Graphit 102 auf
der Stützplatte 106 auf
und der Kolben 112 drängt
den Stempel 104 in Richtung der Lage 102. Die
O-Ringe 114 und 116 bilden eine im Wesentlichen
gasdichte Abdichtung zwischen der Hülse 108 und dem Kolben 112 bzw.
der Stützplatte 106.
Wenigstens ein Teil der Luft (oder eines anderen Gases) in der Prägekammer 110 wird
durch eine Pumpe (nicht gezeigt) über mehrere rund um den Umfang
der Vorrichtung 100 verteilte Durchlässe 118 entzogen,
wodurch der Druck in der Prägekammer 110 unter
Atmosphärendruck
gesenkt wird. Der Kolben 112 wird dann weiter in Richtung
der Stützplatte 106 gedrängt, wodurch
der Stempel 104 in Kontakt mit der Lage aus expandiertem
Graphit 102 gerät
und diese prägt.
Der verringerte Druck in der Prägekammer 110 wird
während
des Prägeverfahrens
aufrechterhalten. Sobald das Prägen
abgeschlossen ist, lässt man
den Druck in der Prägekammer 110 auf
Atmosphärendruck
zurückkehren,
der Kolben 112 wird von der Hülse 108 gelöst und die
geprägte
Lage aus expandiertem Graphit kann entfernt werden.
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Die 2a und 2b sind
teilweise auseinandergezogene Schnittansichten einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Vorrichtung. Bei einer Prägevorrichtung 200 wird
eine Lage aus expandiertem Graphit (nicht gezeigt) zwischen einer Stützplatte 202 und
einem Stempel 204 platziert. Eine Abdeckplatte 206 und
ein Kolben 208 sind dafür ausgelegt,
die Stützplatte 202 bzw.
den Stempel 204 aufzunehmen. Die Abdeckplatte 206 ist
dafür ausgelegt,
den Kolben 208 aufzunehmen und mit der Hülse 210 in
Eingriff zu geraten, wie am besten in 2b gezeigt
(aus Gründen
der Klarheit wurden die Stützplatte 202 und
der Stempel 204 in 2b weggelassen).
In der Offenstellung wird die Hülse 210 durch eine
Feder 214 gegen einen Rand 212 des Kolbens 108 gehalten,
wie am besten in 2a gezeigt. Zusammenwirkende
Oberflächen
des Kolbens 208, der Abdeckplatte 206 und der
Hülse 210 begrenzen
eine Prägekammer 216.
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Im
Betrieb werden die ineinander eingreifenden Oberflächen der
Abdeckplatte 206 und der Hülse 210 aufeinander
zu gedrängt
und geraten in Kontakt. Der O-Ring 218 bildet dazwischen
eine im Wesentlichen gasdichte Abdichtung. Wenn der Kolben 208 weiter
in Richtung der Abdeckplatte 206 gedrängt wird, zwingt die Abdeckplatte 206 die
Hülse 210 dazu,
am Kolben 208 hinabzugleiten und die Feder 214 zusammenzudrücken. Das
Zusammendrücken
der Feder 214 unterstützt
die Aufrechterhaltung der durch den O-Ring 218 gebildeten,
im Wesentlichen gasdichten Abdichtung. Ein O-Ring 220 hält zwischen
der Hülse 210 und
dem Kolben 208 eine im Wesentlichen gasdichte Abdichtung
aufrecht. Wenigstens ein Teil der Luft (oder eines anderen Gases) in
der Prägekammer 216 wird
durch eine Pumpe (nicht gezeigt) über einen Durchlass 222 entzogen, wodurch
der Druck in der Prägekammer 216 unter
Atmosphärendruck
verringert wird. Der Kolben 208 wird dann weiter in Richtung
der Stützplatte 202 gedrängt, wodurch
der Stempel 204 in Kontakt mit der Lage aus expandiertem
Graphit gerät
und diese prägt.
Der verringerte Druck in der Prägekammer 216 wird
während
des Prägeverfahrens
aufrechterhalten. Sobald das Prägen
abgeschlossen ist, lässt
man den Druck in der Prägekammer 216 auf
Atmosphärendruck
zurückkehren,
der Kolben 208 wird von der Hülse 210 gelöst und die
geprägte
Lage aus expandiertem Graphit kann entfernt werden.
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Wie
bei den vorstehenden Ausführungsformen
beschrieben, weist die geprägte
Lage aus expandiertem Graphit auf nur einer Hauptfläche erhabene
Merkmale auf. Wenn es erwünscht
ist, auf beide Seiten der Lage aus expandiertem Graphit Merkmale
zu prägen,
könnte
die Prägevorrichtung 100 einen
weiteren, der Stützplatte 106 zugeordneten Stempel
aufweisen oder die Stützplatte 202 der
Vorrichtung 200 könnte
durch einen weiteren Stempel ersetzt werden. Das Lagenmaterial könnte außerdem gleichzeitig
mit dem Prägen
gestanzt werden.
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3 ist
eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden
Prägevorrichtung.
Bei einer Prägevorrichtung 300 wird
eine Lage aus expandiertem Graphit (nicht gezeigt) zwischen Stempeln 302 und 304 platziert.
Eine Abdeckplatte 306 ist dafür ausgelegt, den Stempel 302 aufzunehmen,
und ist an einem oberen Drucktiegel 308 angebracht. Die
Stützplatte 310 ist
dafür ausgefegt,
den Stempel 304 aufzunehmen, und ist an einem unteren Drucktiegel 312 angebracht.
Eine Randleiste 314 der Abdeckplatte 306 ist dafür ausgelegt,
mit der Stützplatte 310 in
Eingriff zu kommen. Zusammenwirkende Oberflächen der Abdeckplatte 306 und
der Stützplatte 310 begrenzen
eine Prägekammer 316.
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Im
Betrieb liegt die Lage aus expandiertem Graphit auf dem Stempel 304 auf
und der obere Drucktiegel 308 drängt die Abdeckplatte 306 in
Richtung der Stützplatte 310.
Eine zylindrische Hülse 318 nimmt
eine Führungssäule 320 auf,
wodurch eine ordnungsgemäße Ausrichtung
der Komponenten der Vorrichtung 300 während des Prägens erleichtert wird.
Ein O-Ring 322 bildet zwischen der Randleiste 314 und
der Stützplatte 310 eine
im Wesentlichen gasdichte Abdichtung. Wenigstens ein Teil der Luft (oder
eines anderen Gases) in der Prägekammer 316 wird
durch eine Pumpe (nicht gezeigt) über einen Durchlass 324 entzogen,
wodurch der Druck in der Prägekammer 316 unter
Atmosphärendruck
verringert wird. Die Stempel 302 und 304 werden
dann weiter aufeinander zu gedrängt,
wodurch sie mit der Lage aus expandiertem Graphit in Kontakt geraten und
diese prägen.
Der verringerte Druck in der Prägekammer 316 wird
während
des Prägeverfahrens aufrechterhalten.
Sobald das Prägen
abgeschlossen ist, lässt
man den Druck in der Prägekammer 316 auf Atmosphärendruck
zurückkehren,
die Abdeckplatte 306 wird von der Stützplatte 310 gelöst und die
geprägte
Lage aus expandiertem Graphit kann entfernt werden.
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Die 4a und 4b sind
Schnittansichten einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Prägevorrichtung.
Bei einer Prägevorrichtung 400 wird
eine Lage aus expandiertem Graphit (nicht gezeigt) zwischen Stempeln 402 und 404 platziert.
Eine Abdeckplatte 406 und eine Stützplatte 408 sind
dafür ausgelegt,
die Stempel 402 bzw. 404 aufzunehmen. Die Abdeckplatte 406 und
die Stützplatte 408 sind außerdem an
jeweiligen oberen und unteren Drucktiegeln (nicht gezeigt) angebracht.
Eine komprimierbare Dichtung 410 ist mit dem Umfang der
Abdeckplatte 406 verbunden. Zusammenwirkende Oberflächen der
Abdeckplatte 406, der Stützplatte 408 und der
komprimierbaren Dichtung 410 begrenzen eine Prägekammer 412,
wie am besten in 4b gezeigt.
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Die
komprimierbare Dichtung 410 umfasst eine obere Halterung 414 und
eine untere Halterung 416. Ein Führungsstift 418 ist
mit der unteren Halterung 416 verbunden und kommt gleitend
mit der Hülse 420 der
oberen Halterung 414 in Eingriff. Eine Feder 422 übt eine
Kraft aus, die die obere und die untere Halterung 414, 416 voneinander
trennt. Wie in 4a gezeigt, verhindern Halteklammern 424, 426, wenn
sich die Vorrichtung 400 in der Offenstellung befindet,
dass sich die obere und die untere Halterung 414, 416 voneinander
lösen.
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Im
Betrieb wird die Abdeckplatte 406 in Richtung der Stützplatte 408 gedrängt und
die komprimierbare Dichtung 410 kommt mit dieser in Kontakt. Elastische
stirnseitige Dichtungen 428 bilden zwischen der unteren
Halterung 416 und der Stützplatte 408 eine
im Wesentlichen gasdichte Abdichtung. Wenn die Abdeckplatte 406 weiter
in Richtung der Stützplatte 408 gedrängt wird,
wird die Feder 422 zusammengedrückt und ein Gleitdichtungsring 430,
der mit der oberen Halterung 414 verbunden ist, gleitet an
der unteren Halterung 416 entlang, wobei er mit dieser
in Eingriff steht (siehe 4b). Ein
O-Ring 432 bildet dazwischen eine im Wesentlichen gasdichte
Abdichtung. Eine Haube 434 ist an der oberen und unteren
Halterung 414, 416 befestigt und O-Ringe 436 und 438 bilden
zwischen der Haube 434 und der oberen bzw. unteren Halterung 414, 416 im
Wesentlichen gasdichte Abdichtungen. Die Haube 434 ist
als Unterstützung
für die
durch den Dichtungsring 430 und den O-Ring 432 bereitgestellte
Abdichtung vorgesehen. Die Haube 434 kann jedoch, sofern
erwünscht,
weggelassen werden, vorausgesetzt, dass in ihrer Abwesenheit eine
geeignete Abdichtung aufrechterhalten werden kann. Wenigstens ein
Teil der Luft (oder eines anderen Gases) in der Prägekammer 412 wird
durch eine Pumpe (nicht gezeigt) über einen Durchlass 440 entzogen,
wodurch der Druck in der Prägekammer 412 unter
Atmosphärendruck
verringert wird. Die Abdeckplatte 406 wird dann weiter
in Richtung der Stützplatte 408 gedrängt, wodurch
die Stempel 402 und 404 in Kontakt mit der Graphitlage geraten
und diese prägen.
Der verringerte Druck in der Prägekammer 412 wird
während
des Prägeverfahrens
aufrechterhalten. Sobald das Prägen
abgeschlossen ist, lässt
man den Druck in der Prägekammer 412 auf
Atmosphärendruck
zurückkehren,
die Abdeckplatte 406 wird von der Stützplatte 408 gelöst und die
geprägte
Lage aus expandiertem Graphit kann entfernt werden. Die Bauart der
komprimierbaren Dichtung 410 ist für die vorliegende Vorrichtung nicht
entscheidend und es können
auch andere geeignete Bauarten eingesetzt werden. Beispielsweise kann,
abhängig
von den Spezifikationen der Vorrichtung, eine Elastomerdichtung
verwendet werden, vorausgesetzt, dass eine gasdichte Abdichtung
in der Prägekammer 412 aufrechterhalten
werden kann.
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5 ist
eine teilweise auseinandergezogene Schnittansicht einer weiteren
Ausführungsform der
vorliegenden Prägevorrichtung.
Bei einer Prägevorrichtung 500 wird
eine Lage aus expandiertem Graphit (nicht gezeigt) zwischen Stempeln 502 und 504 platziert.
Eine Abdeckplatte 506 und eine Stützplatte 508 sind
dafür ausgelegt,
die Stempel 502 bzw. 504 aufzunehmen. Die Abdeckplatte 506 und
die Stützplatte 508 sind
außerdem
an jeweiligen oberen und unteren Drucktiegeln (nicht gezeigt) angebracht. Eine
Randleiste 510 der Abdeckplatte 506 ist dafür ausgelegt,
mit der Stützplatte 508 in
Eingriff zu geraten. Zusammenwirkende Oberflächen der Abdeckplatte 506 und
der Stützplatte 508 begrenzen
eine Prägekammer 512.
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Im
Betrieb liegt die Lage aus expandiertem Graphit auf dem Stempel 504 auf
und die Abdeckplatte 506 wird in Richtung der Stützplatte 508 gedrängt. Der
O-Ring 514 bildet zwischen der Randleiste 510 und
der Stützplatte 508 eine
im Wesentlichen gasdichte Abdichtung. Wenigstens ein Teil der Luft (oder
eines anderen Gases) in der Prägekammer 512 wird
durch eine Pumpe (nicht gezeigt) über Durchlässe 516 entzogen,
die rund um den Umfang der Vorrichtung 500 unter Abstand
voneinander angeordnet sind, wodurch der Druck in der Prägekammer 512 unter
Atmosphärendruck
verringert wird. Die Stempel 502 und 504 werden
dann weiter aufeinander zu gedrängt,
wodurch sie mit der Lage aus expandiertem Graphit in Kontakt geraten
und diese prägen.
Der verringerte Druck in der Prägekammer 512 wird
während
des Prägeverfahrens
aufrechterhalten. Sobald das Prägen
abgeschlossen ist, lässt
man den Druck in der Prägekammer 512 auf
Atmosphärendruck
zurückkehren,
die Abdeckplatte 506 wird von der Stützplatte 508 gelöst und die
geprägte
Lage aus expandiertem Graphit kann entnommen werden.
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Die 6a und 6b sind
Schnittansichten einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Vorrichtung.
Bei einer Prägevorrichtung 600 wird eine
Lage aus expandiertem Graphit (nicht gezeigt) zwischen Stempeln 602 und 604 platziert.
Eine Abdeckplatte 606 und eine Stützplatte 608 sind
dafür ausgelegt,
die Stempel 602 bzw. 604 aufzunehmen. Die Abdeckplatte 606 und
die Stützplatte 608 sind außerdem an
jeweiligen oberen und unteren Drucktiegeln (nicht gezeigt) angebracht.
Eine aufblähbare Blase 610 ist
an der Abdeckplatte 606 befestigt. Blasenklammern 612 unterstüzren die
Befestigung der Blase 610 an der Abdeckplatte 606.
Luft (oder ein anderes Gas) kann über eine Öffnung 614 in die
Blase 610 eingebracht und aus dieser abgeführt werden, wodurch
der Druck in der Blase 610 manuell durch den Bediener oder
eine automatisierte Steuereinheit gesteuert werden kann. Die zusammenwirkenden Oberflächen der
Abdeckplatte 606, der Stützplatte 608 und der
Blase 610 bilden eine Prägekammer 616.
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Im
Betrieb liegt die Lage aus expandiertem Graphit auf dem Stempel 604 auf
und die Abdeckplatte 606 wird in Richtung der Stützplatte 608 gedrängt. Die
Blase 610 wird auf einen geeigneten Druck aufgeblasen,
um zwischen der Abdeckplatte 606 und der Stützplatte 608 eine
im Wesentlichen gasdichte Abdichtung zu bilden, wie am besten in 6b gezeigt
ist. Alternativ könnte
die Blase 610 durch eine komprimierbare Dichtung ersetzt
werden, vorausgesetzt, dass zwischen der Abdeckplatte 606 und
der Stützplatte 608 eine
gasdichte Abdichtung gebildet werden kann. Wenigstens ein Teil der
Luft (oder eines anderen Gases) in der Prägekammer 616 wird
durch eine Pumpe (nicht gezeigt) über einen Durchlass 618 entzogen,
wodurch der Druck in der Präge kammer 616 unter
Atmosphärendruck
verringert wird. Die Stempel 602 und 604 werden
dann weiter aufeinander zu gedrängt,
wodurch sie mit der Lage aus expandiertem Graphit in Kontakt geraten und
diese prägen.
Der verringerte Druck in der Prägekammer 616 wird
während
des Prägeverfahrens aufrechterhalten.
Sobald das Prägen
abgeschlossen ist, lässt
man den Druck in der Prägekammer 616 auf Atmosphärendruck
zurückkehren,
die Abdeckplatte 606 wird von der Stützplatte 608 gelöst und die
geprägte
Lage aus expandiertem Graphit kann entnommen werden.
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Obgleich
die vorstehenden Ausführungsformen
so dargestellt wurden, dass sie zum Prägen des expandierten Graphitlagenmaterials
Drucktiegel verwenden, könnten
auch andere Prägeverfahren
verwendet werden. Beispielsweise könnte einer der Plattenstempel
in einer beliebigen der Ausführungsformen
gemäß den 3-6 durch einen Rollstempel ersetzt werden.
Eine Walze kann dazu verwendet werden, das Lagenmaterial gegen einen
Stempel zu drücken
und kann ebenfalls Stempelmerkmale auf ihrer Oberfläche aufweisen.
Die Drucktiegelausführung ist
jedoch bevorzugt.
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Ebenso
sind, obgleich die vorstehenden Ausführungsformen so dargestellt
wurden, dass Unterdruckdurchlässe
zum Entziehen wenigstens eines Teils der Prägeatmosphäre aus der Prägekammer eingesetzt
werden, das vorliegende Verfahren und die vorliegende Vorrichtung
nicht auf derartige Durchlässe
beschränkt.
Beispielsweise können
der untere Stempel, die Halterung des Stempels oder beide porös sein und
wenigstens ein Teil der Prägeatmosphäre könnte durch
das poröse
Teil entzogen werden. Poröse
Teile, wie etwa solche, die beispielsweise aus Aluminiumschaum hergestellt
sind, sind Fachleuten auf dem Gebiet bekannt. Die Verwendung von
Unterdruckdurchlässen,
wie beschrieben, ist jedoch bevorzugt.
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Wie
in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen verwendet, ist mit "im Wesentlichen gasdicht" nicht notwendigerweise
hermetisch abgedichtet gemeint. Im Hinblick darauf werden im Wesentlichen
gasdichte Bedingungen im Allgemeinen erreicht, sofern das Einströmen von
Luft (oder eines anderen Gases) eingeschränkt wird, so dass der Druck
in der Kammer während
des Prägens
auf einem unter Atmosphärendruck
liegenden Druck gehalten wird.
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Das
vorliegende Verfahren und die vorliegende Vorrichtung ermöglichen
außerdem
eine Steuerung der örtlichen
Atmosphäre
während
des Prägens.
Die vorstehenden Ausführungsformen
der vorliegenden Vorrichtung können
ferner beispielsweise eine Inertgasquelle zum Zuführen eines
Inertgases (z.B. Stickstoff) zur Prägekammer, vor dem Verringern
des Gasdruckes in dieser, umfassen. Eine inerte Atmosphäre kann
bei bestimmten Anwendungen erwünscht
sein, bei denen beispielsweise Oxidationsbedingungen während des
Prägens
und/oder Laminierens nachteilig sein können. Wenn es erwünscht ist,
die örtliche
Prägeatmosphäre auf diese
Weise zu steuern, ist es ebenfalls wünschenswert, die im Wesentlichen
gasdichte Prägekammer
während
des Prägens
im Wesentlichen hermetisch abzudichten.
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Des
Weiteren ermöglichen
die vorstehenden Ausführungsformen
der vorliegenden Vorrichtung die Entfernung jeglicher Gase oder
Dämpfe
aus der Prägekammer,
die während
des Präge-/Laminierverfahrens
freigesetzt werden können.
Schädliche
Gase oder Dämpfe
können
aufgefangen, gespeichert und auf sichere Art und Weise entsorgt
werden. Die Vorrichtung kann ferner beispielsweise ein Filter zwischen
dem Unterdurchlass/den Unterdruckdurchlässen und der Pumpe umfassen,
um jegliche giftige Gase zu sammeln und zu filtern. Alternativ dazu könnte nach
dem Prägen
eine positive Druckdifferenz in der Prägekammer aufgebaut werden,
um jegliche giftige Gase zu entfernen und einem Filter oder einer
anderen geeigneten Auffangeinrichtung zuzuführen. Als weitere Alternative
können
solche Gase, sofern angemessen, in die Umgebung entlassen werden.
Andere Verfahren zum sicheren Entfernen giftiger Gase sind für Fachleute
auf dem Gebiet ersichtlich.
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Bei
sämtlichen
vorstehenden Ausführungsformen
wird während
des Prägeverfahrens
vorzugsweise ein verringerter Druck in der Prägekammer aufrechterhalten.
Sobald das Prägen
abgeschlossen ist, lässt
man den Druck in der Prägekammer
auf Atmosphärendruck
zurückkehren,
die Prägekomponenten
werden voneinander gelöst
und die geprägte Lage
aus expandiertem Graphit kann entnommen werden. Durch Aufrechterhalten
eines verringerten Druckes in der Prägekammer wird die Menge des
in der Lage aus expandiertem Graphit eingeschlossenen Gases verringert,
was im Allgemeinen die Bildung großer Blasen darin verhindert,
welche das geprägte
Material für
eine gegebene Anwendung ungeeignet machen können. Wenn beispielsweise geprägte Lagen
aus expandiertem Graphit als Strömungsfeldplatten
bei Brennstoffzellenanwendungen verwendet werden, sind große Blasen
aus mehreren Gründen
unerwünscht.
Große
Blasen können
beispielsweise die Platte strukturell schwächen, unregelmäßige Oberflächeneigenschaften
erzeugen oder den in die Platte geprägten, erwünschten Strömungsweg beeinträchtigen.
Alternativ dazu kann, wenn die geprägte Lage später mit einem Imprägniermittel (z.B.
einem Harz) imprägniert
wird, um die Undurchlässigkeit
zu verbessern, das Vorhandensein großer Blasen zu Taschen aus festem
Imprägniermittel
in der expandierten Graphitmatrix der Platte führen. Dies kann zu einer ungleichmäßigen Leitfähigkeit
in der Platte führen.
Als ein weite res Beispiel kann das Vorhandensein großer Blasen
zu einer Delaminierung von laminierten Lagen aus expandiertem Graphit
führen.
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Der
Druck in der Prägekammer
bestimmt zum Teil die Zeitspanne zum Prägen von Lagen aus expandiertem
Graphit, die zur Vermeidung einer Blasenbildung erforderlich ist.
Allgemein gilt, je höher der
Druck in der Prägekammer,
desto langsamer sollte das Prägen
durchgeführt
werden, um einen Gaseinschluss in den Lagen zu vermeiden und eine
Blasenbildung zu verhindern, und desto geringer ist die Teileausbeute
des Verfahrens. Der Druck in der Prägekammer ist während des
Prägeverfahrens
vorzugsweise kleiner oder gleich ungefähr 533 mbar (400 Torr). Besonders
bevorzugt beträgt
der Druck weniger als 467 mbar (350 Torr). Besonders bevorzugt beträgt der Druck
in der Prägekammer
weniger als 227 mbar (170 Torr) und insbesondere bevorzugt weniger
als 66,7 mbar (50 Torr).
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Die
vorstehenden Ausführungsformen
umfassen eine Prägekammer
zum Prägen
von expandiertem Graphitlagenmaterial, wobei der Druck in der Prägekammer,
zumindest während
des Prägeschrittes,
auf einem Druck gehalten wird, der niedriger als Atmosphärendruck
ist. Die Erfinder haben außerdem entdeckt,
dass es möglich
ist, wenigstens einen Teil des Gases im Inneren des expandierten
Graphitlagenmaterials zu entfernen, indem es in einer Kammer mit
einem unter Atmosphärendruck
liegenden Druck platziert und das Lagenmaterial anschließend bei
Atmosphärendruck
geprägt
wird.
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Sobald
wenigstens ein Teil des in dem expandierten Graphitlagenmaterial
befindlichen Gases bei verringertem Druck entfernt worden ist, kann
Gas erneut eintreten, wenn das Lagenmaterial Atmosphärendruck
ausgesetzt wird. Wiederum wird ohne Beschränkung auf eine bestimmte Theorie
davon ausgegangen, dass die Anisotropie des expandierten Graphitlagenmaterials
auch das Einströmen
von Gas in das Lagenmaterial an den Rändern desselben im Wesentlichen
einschränkt.
Sofern das expandierte Graphitlagenmaterial geprägt wird, bevor eine Gasmenge,
die ausreicht, um eine erhebliche Blasenbildung oder Delaminierung
zu bewirken, erneut in das Lagenmaterial eindringt, kann das Prägen bei
Atmosphärendruck
stattfinden, ohne die Qualität
des geprägten
Produkts nachteilig zu beeinflussen.
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7a ist
eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden
Vorrichtung. 7b ist eine Schnittansicht des
Abschnitts der Vorrichtung gemäß 7a,
der mit A bezeichnet ist. 7c ist
eine Draufsicht der unteren Hälfte
des mit A bezeichneten Abschnitts der Vorrichtung gemäß 7a,
und 7d ist eine Seitenansicht von zwei Ausführungsformen
der nachfolgend beschriebenen Dichtungen.
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Bei
einer Prägevorrichtung 700 wird
eine Lage aus expandiertem Graphit 701 zwischen Walzen 702 und 704 in
einem Gehäuse 706 geführt. Die Prägevorrichtung 700 kann
ferner Dichtungen 708 und 710 umfassen (nicht
in den 7a oder 7b gezeigt;
siehe hierzu 7c und 7d),
um eine im Wesentlichen gasdichte Abdichtung zwischen den Enden
der Walzen 702, 704 und den benachbarten Abschnitten
des Gehäuses 706 bereitzustellen. 7c zeigt
zwei im Gehäuse 706 angeordnete
Walzen 704, eine mit in Stellung befindlichen Dichtungen 708, 710 und
eine ohne jegliche Dichtung. Die Form der Dichtungen 708, 710 ist
kein kritisches Merkmal der vorliegenden Vorrichtung. Im Hinblick
darauf können
die Dichtungen jede beliebige geeignete Form haben, vorausgesetzt,
dass sie dazu in der Lage sind, eine im Wesentlichen gasdichte Abdichtung
an den Enden der Walzen zu bilden. Die Dichtungen 708 können einzeln
ausgebildet sein, wie etwa die Dichtung 708a in 7d und
die Dichtung 708 in 7c, oder
sie können,
sofern erwünscht,
ein integriertes Dichtungselement bilden, wie etwa die Dichtung 708b in 7d.
Selbstverständlich
lassen sich dieselben Überlegungen
auch auf die Dichtungen 710 anwenden. Dichtungen können je
nach Wunsch mit einer oder mehreren der Walzen im Gehäuse 706 verwendet
werden.
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Die
Ausführungsform
der vorliegenden Vorrichtung kann ferner Walzendichtungen 716 umfassen,
die dafür
ausgelegt sind, die zylindrische Oberfläche der Walzen 702, 704 zu
berühren
und dazwischen eine im Wesentlichen gasdichte Abdichtung bereitzustellen.
Walzendichtungen 716 können
jedes geeignete elastische, reibungsarme Material umfassen, das
dazu imstande ist, eine im Wesentlichen gasdichte Abdichtung bereitzustellen,
wie z.B. eine Lage aus Messing oder TeflonTM (W.L.
Gore & Associates,
Inc., Elkton, Maryland, USA). Obgleich die 7a und 7b jede
der Walzen 702, 704 mit einer zugeordneten Walzendichtung 716 darstellen,
ist dies nicht erforderlich. Die Vorrichtung kann keine Walzendichtungen
umfassen oder einigen oder allen Walzen zugeordnete Walzendichtungen
aufweisen.
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Im
Betrieb wird die Lage aus expandiertem Graphit 701 zu den
Walzen 702, 704 geführt. Die mit der Lage 701 in
Kontakt stehenden Oberflächen
der Walzen 702, 704 und (wahlweise) die Dichtungen 708, 710 sowie
die Walzendichtungen 716 wirken zusammen, um in der Kammer 718 eine
im Wesentlichen gasdichte Abdichtung zu bilden. Wenigstens ein Teil
des Gases in der Kammer 718 wird durch eine Pumpe (nicht
gezeigt) über
einen Durchlass 720 entzogen, wodurch der Druck in der Kammer 718 unter Atmosphärendruck
verringert wird. Das Verringern des Druckes in der Kammer 718 unter
Atmosphärendruck
entfernt einen Teil des Gases im Inneren der Lage aus expandiertem
Graphit 701. Der aus der Kammer 718 austretende
Abschnitt der Lage aus expandiertem Graphit 701 wird zu
Prägestempeln 712, 714 geführt, die
die Lage aus expandiertem Graphit 701 berühren und
diese prägen.
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Obgleich
die 7a-7c die Prägevorrichtung 700 mit
mehr als zwei Paaren einander gegenüberliegender Walzen 702, 704 darstellen,
ist diese Ausgestaltung nicht zum Bilden einer Kammer erforderlich,
die dazu in der Lage ist, eine im Wesentlichen gasdichte Abdichtung
aufrechtzuerhalten. Eine solche Kammer kann beispielsweise durch
nur zwei Paare Walzen 702, 704 gebildet werden.
Alternativ dazu könnte
jeder Satz Walzen 702 oder 704 durch eine im Wesentlichen
ebene, glatte Oberfläche
ersetzt werden, in welchem Fall eine geeignete Kammer durch zwei
Walzen (z.B. zwei Walzen 702 oder zwei Walzen 704)
gebildet werden kann, die der glatten Oberfläche gegenüberliegen.
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Die
vorliegende Ausführungsform
kann ferner dem Gehäuse 706 zugeordnete
Zuführwalzen umfassen,
um das expandierte Graphitlagenmaterial 701 in das Gehäuse 706 und
zu den Rollstempeln 712, 714 zu führen. Alternativ
kann wenigstens eine der Walzen 702, 704 angetrieben
werden.
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Die
zylindrischen Oberflächen
der Walzen können
ein Material umfassen, das die Bereitstellung einer Abdichtung zwischen
der Walze und dem expandierten Graphitlagenmaterial unterstützt. Die
zylindrische Oberfläche
der Walze kann beispielsweise ein elastisches Material, wie etwa
Urethan, umfassen, das die Abdichtung unterstützen kann.
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8 ist
eine Querschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden
Vorrichtung. Bei einer Prägevorrichtung 800 wird
eine Lage aus expandiertem Graphit 801 zwischen Zuführwalzen 802 und 804 und
in ein Gehäuse 806 geführt. Elastische
Elemente 808 berühren
die Lage aus expandiertem Graphit 801 und stellen dazwischen
eine im Wesentlichen gasdichte Abdichtung bereit. Benachbart zum
Gehäuse 806 befinden
sich Rollstempel 810 bzw. 812.
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Im
Betrieb wird die Lage aus expandiertem Graphit 801 durch
die Zuführwalzen 802,
804 zum Gehäuse 806 geführt. Mit
der Lage 801 in Kontakt stehende elastische Elemente 808 wirken
zusammen, um in einer Kammer 814 des Gehäuses 806 eine
im Wesentlichen gasdichte Abdichtung zu bilden. Wenigstens ein Teil
des in der Kammer 814 befindlichen Gases wird durch eine
Pumpe (nicht gezeigt) über
einen Durchlass 816 entzogen, wodurch der Druck in der
Kammer 814 auf unter Atmosphärendruck gesenkt wird. Das
Senken des Druckes in der Kammer 814 unter Atmosphärendruck
entfernt einen Teil des Gases im Inneren der Lage aus expandiertem
Graphit 801. Der aus dem Gehäuse 806 austretende
Abschnitt der Lage aus expandiertem Graphit 801 wird zu
den Rollstempeln 810, 812 geführt und geprägt.
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9 ist
eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden
Vorrichtung. Bei einer Prägevorrichtung 900 wird
eine Lage aus expandiertem Graphit 901 über eine Engstelle 904 in ein
Gehäuse 902 geführt. Sofern
erwünscht,
kann die Vorrichtung 900 eine oder mehrere Zuführwalzen zum
Führen
der Lage aus expandiertem Graphit 901 in das Gehäuse 902 umfassen.
In einer Kammer 908 befindliche elastische Elemente 906 berühren die Lage
aus expandiertem Graphit 901 und stellen dazwischen eine
im Wesentlichen gasdichte Abdichtung bereit. Benachbart zum Gehäuse 902 befinden sich
Rollstempel 910 bzw. 912.
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Im
Betrieb wird die Lage aus expandiertem Graphit 901 zu der
Engstelle 904 im Gehäuse 902 geführt. Die
Engstelle 904 ist so bemessen, dass sie eine ungehinderte
Bewegung der Lage aus expandiertem Graphit 901 zulässt, jedoch
eine ungehinderte Bewegung von Luft zwischen dem Gehäuse 902 und
der Lage aus expandiertem Graphit 901 einschränkt. Die
mit der Lage 901 in Kontakt stehenden, elastischen Elemente 906 wirken
zusammen, um dazwischen eine im Wesentlichen gasdichte Abdichtung
zu bilden. Wenigstens ein Teil des Gases in der Kammer 908 wird
durch eine Pumpe (nicht gezeigt) über einen Durchlass 914 entzogen.
Die Engstelle 904 beschränkt das Einströmen von
Luft (oder eines anderen Gases) in die Kammer 908 von außerhalb des
Gehäuses 902,
so dass die Pumpe den Druck in der Kammer 908 unter Atmosphärendruck
verringern kann. Das Verringern des Druckes in der Kammer 908 unter
Atmosphärendruck
entfernt einen Teil des Gases im Inneren der Lage aus expandiertem
Graphit 901. Der aus dem Gehäuse 902 austretende
Abschnitt der Lage aus expandiertem Graphit 901 wird zu
den Rollstempeln 910, 912 geführt und geprägt.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform
kann die Vorrichtung 900 anstelle der elastischen Elemente 906 wenigstens
einen Satz Rollstempel umfassen, wie etwa in den 7a oder 7b dargestellt
ist. Des Weiteren können
eine oder mehrere der Walzen durch Rollstempel ersetzt werden, wodurch
keine separaten Rollstempel 910, 912 erforderlich
sind.
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Obgleich
die 8 und 9 Prägevorrichtungen mit mehr als
zwei Paaren elastischer Elemente darstellen, ist diese Ausgestaltung
zum Bilden einer Kammer, die eine im Wesentlichen gasdichte Abdichtung
aufrechterhalten kann, nicht notwendig. Eine solche Kammer kann
beispielsweise durch nur ein Paar elastischer Elemente gebildet
werden. Alternativ dazu könnte
jedes der Paare einander gegenüberliegender
elastischer Elemente durch eine im Wesentlichen ebene, glatte Oberfläche ersetzt
werden, in welchem Fall eine geeignete Kammer durch ein einzelnes
elastisches Element gebildet werden kann, das der glatten Oberfläche gegenüberliegt.
Mehrere elastische Elemente können
eine bessere oder zuverlässigere
Abdichtung bereitstellen.
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Bei
den in den 7a, 8 und 9 gezeigten
Ausführungsformen
der vorliegenden Vorrichtung ist ein Paar Rollstempel dargestellt.
Dies ermöglicht
ein Prägen
beider Hauptflächen
der Lage aus expandiertem Graphit. Alternativ dazu kann ein Rollstempel
des Paares Rollstempel durch eine im Wesentlichen glatte Walze ersetzt
werden, wenn es erwünscht
ist, auf nur eine Seite des expandierten Graphitlagenmaterials Merkmale
zu prägen.
Alternativ dazu kann ein Rollstempel des Paares Rollstempel weggelassen
werden und die Lage aus expandiertem Graphit während des Prägens durch
einen einzelnen Rollstempel an einer relativ ebenen Oberfläche gehalten
werden.
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Als
weitere Alternative könnte
bei der in 7a gezeigten Ausführungsform
der vorliegenden Vorrichtung eine der Walzen 702, 704 oder
ein Paar Walzen 702, 704 durch einen bzw. ein
Paar Rollstempel ersetzt werden. Beispielsweise kann das letzte Paar
Walzen 702, 704, das mit dem expandierten Graphitlagenmaterial 701 in
Kontakt kommt, durch Rollstempel zum Prägen des Materials ersetzt werden.
Auf diese Weise könnten
die separaten Rollstempel 712, 714 weggelassen
werden.
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Bei
den in den 7a, 8 und 9 gezeigten
Ausführungsformen
der vorliegenden Vorrichtung wird das expandierte Graphitlagenmaterial vorzugsweise
geprägt,
bevor eine Gasmenge, die ausreichend ist, um eine erhebliche Blasenbildung oder
Delaminierung zu bewirken, erneut in das Lagenmaterial eindringt.
Die Gasmenge, die erneut in das expandierte Graphitlagenmaterial
eindringen kann, bevor eine erhebliche Blasenbildung oder Delaminierung
in der geprägten
Lage auftreten kann, hängt
von der Gasmenge in der Lage ab, wenn diese aus der Kammer austritt.
Diese Gasmenge in der Lage aus expandiertem Graphit hängt zum
Teil von dem Druck in der Kammer ab. Allgemein gilt, je höher der
Druck in der Prägekammer,
desto weniger Gas kann vor dem Prägen erneut in das expandierte
Graphitlagenmaterial eindringen, ohne das geprägte Produkt negativ zu beeinflussen.
Der Druck in der Kammer ist vorzugsweise kleiner oder gleich ungefähr 533 mbar
(400 Torr), besonders bevorzugt kleiner als 467 mbar (350 Torr).
Besonders bevorzugt beträgt
der Druck in der Kammer weniger als 227 mbar (170 Torr) und insbesondere
bevorzugt weniger als 66,7 mbar (50 Torr).
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Die
Rate, mit der Gas erneut in das expandierte Graphitlagenmaterial
eindringt, hängt
von der Dicke der Lage, der Qualität (Zusammensetzung) der Lage,
der Geschwindigkeit, mit der die Lage die Vorrichtung passiert,
und dem Abstand zwischen der Kammer und dem Walzenspalt der Rollstempel
ab. Sowohl die Gasmenge in dem expandierten Graphitlagenmaterial
als auch die Wiedereindringrate des Gases in das Lagenmaterial beeinflussen
die während
des Prägens
im Lagenmaterial vorhandene Gasmenge.
-
Daher
können
der Druck in der Kammer, die Geschwindigkeit, mit der das expandierte
Graphitlagenmaterial die Vorrichtung passiert, und der Abstand zwischen
der Kammer und dem Walzenspalt der Rollstempel im Hinblick auf eine
gegebene Dicke und Qualität
des expandierten Graphitlagenmaterials gesteuert werden, um das
Wiedereindringen von Gas in das Lagenmaterial zu minimieren, das
in der geprägten
Lage Blasenbildung oder Delaminierung bewirken kann. Die spezifische
Parameterkombination hinsichtlich einer gegebenen Qualität und Dicke des
expandierten Graphitlagenmaterials kann durch Fachleute auf dem
Gebiet empirisch ermittelt werden.
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Die
in den 7a, 8 und 9 gezeigten
Ausführungsformen
der vorliegenden Vorrichtung sind zum Prägen von Chargen von Lagen aus
expandiertem Graphit geeignet und eignen sich im Besonderen für ein kontinuierliches
Prägen
von expandiertem Graphitlagenmaterial. Die Ausführungsformen können beispielsweise
zum kontinuierlichen Prägen von
Rollen expandierten Graphitlagenmaterials verwendet werden, um Fluidströmungsfeldplatten
zu erzeugen. Nach dem Prägen
kann die Lage aus expandiertem Graphit quer geschnitten werden,
um die derart gebildeten Platten voneinander zu trennen.
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Das
vorliegende Verfahren und die vorliegende Vorrichtung können dazu
verwendet werden, Merkmale auf eine oder beide Hauptflächen einer Lage
aus expandiertem Graphit zu prägen.
Die auf beide Hauptflächen
der Lage geprägten
Merkmale können
gleich oder unterschiedlich sein. Es können beispielsweise auf beide
Hauptflächen
einer Lage aus expandiertem Graphit Strömungskanäle geprägt werden, um eine Platte zu
erzeugen, die für
gewöhnlich
als bipolare Platte bezeichnet wird. Die Strö mungskanäle können dieselben oder unterschiedliche
Abmessungen und/oder Ausrichtungen haben.
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Die
vorliegende Vorrichtung kann auch dazu verwendet werden, ein Laminat
zu prägen,
das eine oder mehrere Lagen aus expandiertem Graphit umfasst, die
miteinander oder wahlweise mit anderen Materialien laminiert sind.
Abhängig
von der Kompatibilität
des Laminiermediums mit den Komponenten der Vorrichtung, kann sie
auch dazu verwendet werden, die Laminierung gleichzeitig mit dem
Prägen durchzuführen.
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Bei
sämtlichen
vorstehenden Ausführungsformen
kann die Oberfläche
der Lage aus expandiertem Graphit durchstochen werden, um, sofern
erwünscht,
die Gasentfernung während
des Prägeverfahrens
zu erhöhen.
Es kann beispielsweise eine Nadelwalze eingesetzt werden, um die
Oberfläche
der Lage aus expandiertem Graphit zu durchstechen. Dies kann manuell
durchgeführt
werden oder es kann ein Mechanismus zum Lochen der Lage aus expandiertem
Graphit in die vorliegende Vorrichtung eingebaut werden. Die in
den 7a, 8 und 9 gezeigten
Ausführungsformen
der vorliegenden Vorrichtung können
ferner beispielsweise eine Nadelwalze zum Führen der Lage aus expandiertem
Graphit zum Gehäuse
umfassen. Die Nadelwalze kann auch dazu verwendet werden, die Oberfläche der Lage
aus expandiertem Graphit zu durchstechen, um die Gasentfernung während des
Prägeverfahrens
zu erhöhen.
Alternativ dazu kann ein einander gegenüberliegendes Paar Nadelwalzen
eingesetzt werden, wobei eine oder beide Nadelwalze(n) auch die
Oberfläche
der Lage aus expandiertem Graphit durchstechen. Ein Erhöhen der
Eindringtiefe in die Lage aus expandiertem Graphit durch den Lochungsmechanismus
verringert häufig
die Blasenbildung während des
Prägens.
Im Gegensatz dazu, kann ein zu tiefes Eindringen in die Lage aus
expandiertem Graphit eine unerwünschte
Wirkung auf das Erscheinungsbild oder die strukturelle Integrität des resultierenden geprägten Produkts
haben. Der angemessene Eindringgrad hängt beispielsweise von der
Dicke des expandierten Graphitlagenmaterials, der Qualität (Zusammensetzung)
des Lagenmaterials, der Bearbeitung nach dem Prägen und der Endnutzung des
geprägten
Lagenmaterials ab. Daher sollte ein angemessener Eindringgrad sorgfältig empirisch
ermittelt werden, wenn ein Lochen der Lage aus expandiertem Graphit
angewandt wird.
-
Wenn
das vorliegende Verfahren und die vorliegende Vorrichtung beispielsweise
zum Erzeugen von Fluidströmungsfeldplatten
eingesetzt werden, können
der oder die Stempel mehrere Plattenmuster umfassen. Die Rollstempel
können
beispielsweise mehrere Plattenmuster umfassen, so dass jeder Prägeschritt
mehr als eine Platte erzeugt. Eine parallele Bearbeitung mehrerer
Platten pro Prägeschritt
kann zu einer verkürzten
Herstellungszyklusdauer der Teile führen.
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Obgleich
spezifische Elemente, Ausführungsformen
und Anwendungen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben
worden sind, versteht es sich selbstverständlich, dass die Erfindung nicht
darauf beschränkt
ist, da insbesondere angesichts der vorstehenden Lehren von Fachleuten
auf dem Gebiet Abwandlungen durchgeführt werden können. Die
beigefügten
Ansprüche
sollen daher solche Abwandlungen abdecken, die diejenigen Merkmale
umfassen, die innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegen.