EP4347168A1

EP4347168A1 - Verfahren und laserbearbeitungsvorrichtung zur herstellung einer bipolarplatte

Info

Publication number: EP4347168A1
Application number: EP22728426.2A
Authority: EP
Inventors: Jan-Patrick Hermani; Martin Stambke
Original assignee: Trumpf Laser GmbH
Current assignee: Trumpf Laser GmbH
Priority date: 2021-05-26
Filing date: 2022-05-09
Publication date: 2024-04-10
Also published as: WO2022248203A1; KR20240011800A; DE102021113597A1; CN117377550A; US20240082953A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte, umfassend mindestens zwei miteinander verbundene Plattenelemente, mit folgenden Schritten: - Bereitstellen eines ersten Plattenelements und eines zweiten Plattenelements, wobei das erste Plattenelement mindestens eine Sicke mit einer Längserstreckung umfasst, - Ausbilden einer Schweißverbindung zwischen dem ersten Plattenelement und dem zweiten Plattenelement entlang der Längserstreckung der mindestens einen Sicke mittels eines in Längserstreckung der Sicke fortschreitenden Laserbearbeitungsstrahls, wobei - vor Ausbildung der Schweißverbindung ein sich in einer Querrichtung (y) zu der Längserstreckung der mindestens einen Sicke befindliches Geometriemerkmal der mindestens einen Sicke des ersten Plattenelements detektiert wird, - der Laserbearbeitungsstrahl in Querrichtung (y) an eine Position des detektierten Geometriemerkmals nachgeregelt wird, sodass - das erste Plattenelement und das zweite Plattenelement an der Position des Geometriemerkmals mittels des Laserbearbeitungsstrahls verschweißt werden.

Description

Verfahren und Laserbearbeitunqsvorrichtunq zur Herstellung einer Bipolarplatte

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte, umfassend mindestens zwei miteinander verbundene Plattenelemente.

Weiterhin betrifft die Erfindung eines Laserbearbeitungsvorrichtung zur Herstellung einer Bipolarplatte.

Eine Brennstoffzelle besteht beispielsweise aus bis zu 200 Bipolarplatten, die umlaufend fluiddicht gefügt werden. Das Laserstrahlschweißen hat sich als Fügetechnologie etabliert, jedoch fehlt eine geeignete Prozesssensorik, um eine 100 %-Dichtheit unter Serienproduktionsbedingungen zu erzielen. Ursache für undichte Stellen können beispielsweise Ungenauigkeiten der Spanntechnik und der Laserstrahlpositionierung sein. Einzelne undichte Stellen führen zu hohen Ausschussraten und sind unter anderem ein Grund für die hohen Kosten der Brennstoffzellentechnologie.

Die EP1504482B1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für Brennstoffzellensysteme, wobei die Verbindung der Metallabschnitte durch Laserstrahlschweißen erfolgt. Die plattenförmigen Metallabschnitte werden während der Laserschweißung spaltfrei aufeinander angeordnet und zur Verringerung des Wärmeeintrags beim Schweißen werden die Schweißnähte als hintereinander aber voneinander beabstandete linienförmige Abschnitte ausgeführt.

Die DE102016200387A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte, wobei die Separatorplatten stoffschlüssig miteinander verbunden werden und die Energie zum Verbinden jeweils über Außenseiten beider Separatorplatten zugeführt wird.

Aus der DE102005001303B4 ist ebenfalls ein Verfahren zum Zusammenfügen zumindest eines ersten Bleches und eines zweiten Bleches mittels Laserschweißen bekannt.

Die DE102010021982A1 offenbart eine Anordnung zur hermetisch dichten Verbindung von Brennstoffzellen Bipolarplatten mittels Laserdurchstrahlschweißen.

Nachteilig am Stand der Technik ist, dass der Laserbearbeitungsstrahl nicht an eine bestimmte Position eines Geometriemerkmals einer Bipolarplatte geführt werden kann, um so fluiddichte Bipolarplatten hersteilen zu können. Durch die fehlende Positionierung des Laserbearbeitungsstrahls entstehen hohe Ausschussraten und ein geringerer Output in der Bipolaroplattenherstellung.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Laserbearbeitungsvorrichtung bereitzustellen, mittels welchen sich Bipolarplatten mit erhöhter Genauigkeit und insbesondere mit erhöhter Dichtigkeit, als aus dem Stand der Technik bekannt, hersteilen lassen.

Gegenstand der Erfindung

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Die Plattenelemente der Bipolarplatte erstrecken sich entlang einer Längserstreckung der Sicken und einer dazu senkrecht angeordneten Querrichtung. Die Ausbildung der Schweißverbindung am Werkstück erfolgt durch einen Laserbearbeitungsstrahl, wobei der hochenergetische Bearbeitungsstrahl mit einer Bearbeitungsgeschwindigkeit in einer Bearbeitungsrichtung relativ zu dem Werkstück bewegbar ist. Dabei ist die Bearbeitungsrichtung parallel zur Längserstreckung der Sicke orientiert. Zudem ist der Laserbearbeitungsstrahl in einer zur Bearbeitungsrichtung quer und insbesondere senkrecht orientierten Querrichtung auslenkbar und/oder hin- und herbewegbar. Durch eine Hin- und Herbewegung des Laserbearbeitungsstrahls kann eine zickzack- oder schlangenlinienförmige Schweißnaht erzeugt werden.

Insbesondere senkrecht zur Querrichtung und zur Längserstreckung der Sicke orientiert sich eine Tiefenrichtung. Wobei unter einer Tiefe einer Sicke an einer bestimmten Position der Sicke insbesondere ein in Tiefenrichtung orientierter Abstand zwischen einer Oberseite des ersten Plattenelements und dieser Position der Sicke zu verstehen ist.

Durch die Detektion eines sich in einer Querrichtung zu der Längserstreckung der mindestens einen Sicke befindlichen Geometriemerkmals, einer tiefsten Stelle und/oder einer Stelle definierter Tiefe der Sicke, kann der Laserbearbeitungsstrahl positionsgenau angeordnet werden. Mittels der exakten Positionierung des Laserbearbeitungsstrahls in der Sicke kann eine fluiddichte Verbindung zwischen dem ersten Plattenelement und dem zweiten Plattenelement hergestellt werden.

Dadurch, dass sich die Schweißverbindung in der Längserstreckung der Sicke entlangzieht, kann sich ein dichter Kühlkanal in zumindest einer Sicke eines Plattenelements ausbilden. Dies führt zu einer Reduzierung des Ausschusses bei der Herstellung von Bipolarplatten sowie des Testaufwands von mehreren Minuten zur Überprüfung der Dichtigkeit je Bipolarplatte.

Weiterhin lassen sich durch das genaue Positionieren des Laserbearbeitungsstrahls in der Sicke Fertigungstoleranzen verbessern, wodurch ein Ausschuss bei der Fertigung verringert wird. Die Erfindung wird anhand von bevorzugten Ausführungsformen und Weiterbildungen näher erläutert.

Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass das Geometriemerkmal mittels eines Messstrahls optisch und/oder berührungslos, insbesondere mittels eines optischen Kohärenztomographen, auch OCT (engl.: Optical Coherence Tomograhpy) genannt, detektiert wird.

Die mittels des optischen Kohärenztomographen detektierten Messinformationen umfassen im Sinne dieser Erfindung Höheninformationen eines Messpunkts an der jeweiligen Messposition, d. h. topographische Informationen des Plattenelements und/oder Informationen bezüglich der Eindringtiefe des Laserbearbeitungsstrahls.

In einer Alternative wird das Geometriemerkmal mittels des optischen Kohärenztomographen koaxial zum Laserbearbeitungsstrahl aufgenommen.

Bei einer Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass der optische Kohärenztomograph einen Referenzstrahl und den Messstrahl bereitstellt, wobei der Referenzstrahl an einem Referenzspiegel des optischen Kohärenztomographen reflektiert wird, der Messstrahl an einem ersten Plattenelement reflektiert wird, und der reflektierte Referenzstrahl und der reflektierte Messstrahl zur Erzeugung eines Auswertungssignals überlagert werden.

Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass ein von dem optischen Kohärenztomographen erzeugtes Auswertungssignal eine Information hinsichtlich einer Tiefe der Sicke entlang der Querrichtung aufweist.

Unter einer Tiefe der Sicke an einer bestimmten Position der Sicke ist insbesondere ein in Tiefenrichtung orientierter Abstand zwischen einer Oberseite des ersten Plattenelements und dieser Position der Sicke zu verstehen, wobei die Tiefenrichtung insbesondere senkrecht zur Querrichtung und zur Längserstreckung der Sicke orientiert ist. Vorteilhaft kann es sein, dass das Geometriemerkmal der Sicke des ersten Plattenelements die tiefste Stelle der Sicke und/oder eine Stelle definierte Tiefe der Sicke ist. Dies hat den Vorteil, dass der Messstrahl so positioniert wird, dass er an einer Stelle definierter Tiefe misst und der Laserbearbeitungsstrahl an die Stelle mit definierter Tiefe zum Verschweißen des ersten und zweiten Plattenelements nachgeregelt wird, um eine einwandfreie Schweißnaht zu erzielen.

Alternativ kann für das Geometriemerkmal ein Symmetriekriterium der Sicke verwendet werden. Beispielsweise kann das Geometriemerkmal eine Mitte der Sicke bezüglich einer zur Längserstreckung der Sicke orientierten Querrichtung sein.

Bei einer Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass das erste Plattenelement und das zweite Plattenelement vor Ausbildung der Schweißverbindung zueinander eingespannt angeordnet sind.

Eine Einspannung während eines vorgelagerten Verfahrensschritts kann beispielsweise durch Klemmen, Spannvorrichtungen oder Anschlägen erfolgen und hat den Vorteil, dass die Plattenelemente vor Ausbildung der Schweißverbindung zueinander ausgerichtet und richtig positioniert werden können.

Alternativ können das erste Plattenelement und das zweite Plattenelement zum Beispiel vor Ausbildung der Schweißverbindung mithilfe von Punkt- oder Stepp- Schweißnähten geschweißt sein, um einen Passzustand zueinanderzu erreichen. Das vorab erfolgende Zusammensetzen kann verwendet werden, um Zwischenräume zwischen dem ersten Plattenelement und dem zweiten Plattenelement entgegenzuwirken und ausreichende Schweißnähte zu ermöglichen.

Insbesondere werden mindestens eine Sicke des ersten Plattenelements und mindestens eine Sicke des zweiten Plattenelements spiegelbildlich zueinander angeordnet, und/oder dass zwischen einander in Querrichtung benachbarten Sicken ein Hohlraum zur Ausbildung eines Kanals, insbesondere Kühlkanals, ausgebildet wird. Es kann allerdings auch eine eingeschlossene Welle entstehen, wenn die Vielzahl der Sicken und Stege nicht korrekt zusammengesetzt sind. In vorteilhafter Weise erstrecken sich die Sicken des ersten Plattenelements und die Sicken des zweiten Plattenelements spiegelbildlich bezüglich der Längserstreckung und insbesondere parallel zur Bearbeitungsrichtung.

Bei einer Ausführungsform kann beispielsweise nur eines der Plattenelemente Sicken aufweisen und das zweite Plattenelement eben ausgebildet sein.

Zwischen zwei in einer Längserstreckung benachbarten Sicken bilden sich Stege aus. Weisen das erste Plattenelement und das zweite Plattelement in Längserstreckung Sicken und somit Stege auf, werden die Plattenelemente vorteilhafter weise in einem vorgelagerten Verfahrensschritt so zueinander positioniert, dass sich die eine Sicke des ersten Plattenelements und der eine Steg des zweiten Plattenelements gegenüber liegen. Dabei muss kein mechanischer Kontakt zwischen dem Steg und der Sicke vorliegen, wobei einem Zwischenraum entgegengewirkt wird.

Die tiefste Stelle einer Sicke eines ersten Plattenelements ist bei entsprechender zuvor erfolgter Positionierung eines zweiten Plattenelements in bevorzugter Weise der Auflagepunkt zum zweiten Plattenelement und somit die bevorzugte Schweißposition.

Möglich ist, dass im Randbereich der Plattenelemente zur Schaffung eines fluiddichten Hohlraums eine im Wesentlichen umlaufende Verschweißung stattfindet. Zur Schaffung eines Kühlmittelkreislaufs kann der Kühlkanal zwischen den Plattenelementen eine oder mehrere Öffnungen zur Kühlmittelzu- und/oder -abfuhr aufweisen.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die Schweißverbindung zwischen dem ersten Plattenelement und dem zweiten Plattenelement fluiddicht ausgebildet. Dies hat die Vorteile, dass der Ausschuss bei der Herstellung der Bipolarplatten sowie der Testaufwand von mehreren Minuten über die Dichtigkeit der Bipolarplatten reduziert werden kann.

Insbesondere kann zum Verschweißen des ersten Plattenelements und des zweiten Plattenelements ein Laserbearbeitungsstrahl mit einer Wellenlänge von mindestens 350 nm und/oder höchstens 1100 nm verwendet werden. Das erste und/oder das zweite Plattenelement umfassen oder sind aus einen metallischen, grafitischen, keramischen oder polymerischen Werkstoff hergestellt. Beispielsweise kann zumindest eines der Plattenelemente eine Legierung, beispielsweise hochwertige Stahllegierungen aufweist.

Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass das erste Plattenelement und/oder das zweite Plattenelement eine Dicke von unter 200 pm, bevorzugt von unter 100 pm, besonders bevorzugt von unter 75 pm aufweisen.

Insbesondere weisen das erste Plattenelement und/oder das zweite Plattenelement eine Dicke von mindestens 50 pm auf.

Bei einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der mittels des optischen Kohärenztomographen erzeugte Messstrahl mittels wenigstens einer Messstrahlablenkeinrichtung relativ zu dem Plattenelement und unabhängig vom Laserbearbeitungsstrahl bewegt wird.

Die Messstrahlablenkeinrichtung kann beispielsweise als Scanner oder Spiegel ausgebildet sein. Die unabhängige Bewegung des Messstrahls vom Laserbearbeitungsstrahl hat den Vorteil, dass der Messstrahl unabhängig vom Bearbeitungsstrahl auf eine beliebige Position des Plattenelements gesteuert werden kann, um an gewünschten Positionen Geometriemerkmale zu detektieren. Die Position des Messstrahls kann sich dabei in Bearbeitungsrichtung der Laserbearbeitungsvorrichtung voranschreitend vor dem Laserbearbeitungsstrahl (pre- Messposition), koaxial zum Laserbearbeitungsstrahl (in-Messposition) oder nachlaufend nach dem Laserbearbeitungsstrahl (post-Messposition) befinden.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der mittels des optischen Kohärenztomographen erzeugte Messstrahl in einer Bearbeitungsrichtung mit dem Abstand (d) vor dem Laserbearbeitungsstrahl angeordnet, wobei die Bearbeitungsrichtung parallel zur Längserstreckung der Sicke orientiert ist. Dabei trifft der Messstrahl in Bearbeitungsrichtung zeitlich vor dem Laserbearbeitungsstrahl auf eine bestimmte Bearbeitungsstelle eines Plattenelements (pre-Messposition) und erfasst einen zu bearbeitenden Bereich des Plattenelements.

In vorteilhafter Weise werden vor der Bearbeitung durch den Laserbearbeitungsstrahl Informationen, beispielsweise Geometriemerkmale, insbesondere Tiefeninformationen, auf einem Plattenelement erfasst und der Laserbearbeitungsstrahl an die entsprechend definierte Stelle in der Sicke nachgeregelt.

Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt auch eine Vorrichtung zur Bearbeitung von mindestens einem ersten Plattenelement und einem zweitem Plattenelement mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 13.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist insbesondere ein oder mehrere Merkmale und/oder Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens auf.

Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchführbar oder das erfindungsgemäße Verfahren wird mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den Zeich nungen. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschlie ßende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung.

Es zeigen:

Fig. 1a eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines ersten Plattenelements und eines zweiten Plattenelements einer Bipolarplatte in einer zu einer Längserstreckung des ersten Plattenelements und des zweiten Plattenelements senkrecht orientierten Ebene; Fig. 1 b eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform eines ersten Plattenelements und eines zweiten Plattenelements einer Bipolarplatte in einer zu einer Längserstreckung des ersten Plattenelements und des zweiten Plattenelements senkrecht orientierten Ebene;

Fig. 2a eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform eines Plattenelements;

Fig. 2b eine vergrößerte Darstellung des Teilbereichs A einer schematischen Draufsicht auf eine Ausführungsform gemäß Fig. 2a; und

Fig. 3 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung.

Fig. 1a und Fig. 1b zeigen eine schematische Schnittdarstellung möglicher Ausführungsformen eines ersten Plattenelements 2 und eines zweiten Plattenelements 3 einer Bipolarplatte 1.

Mittels eines Laserbearbeitungsverfahrens sollen das erste Plattenelement 2 und das zweite Plattenelement 3 miteinander verschweißt werden. Zur Ausführung des Laserbearbeitungsverfahrens ist eine Laserbearbeitungsvorrichtung 20 vorgesehen.

Zur Herstellung einer Schweißverbindung mittels der Laserbearbeitungsvorrichtung 20 weist das erste Plattenelement 2 eine Vielzahl von Sicken 4 auf.

Das zweite Plattenelement 3 kann entweder plan oder eben ausgebildet sein oder ebenso wie das erste Plattenelement 2 Sicken 4 aufweisen.

Die Sicken 4 erstrecken sich entlang einer Längserstreckung 19. Diese Längserstreckung 19 ist zumindest näherungsweise parallel zu einer Bearbeitungsrichtung x orientiert, in welcher eine Bearbeitung des ersten Plattenelements 2 und/oder des zweiten Plattenelements 3 mittels eines von der Laserbearbeitungsvorrichtung 20 bereitgestellten Laserbearbeitungsstrahls 11 vorgesehen ist.

Insbesondere ist unter der Bearbeitungsrichtung x eine Hauptrichtung und/oder eine Vorschubrichtung zu verstehen, parallel zu welcher eine Bearbeitung des ersten Plattenelements 2 und/oder des zweiten Plattenelements 3 mittels des Laserbearbeitungsstrahls 11 erfolgt.

Der Laserbearbeitungsstrahl 11 bewegt sich während des Laserbearbeitungsverfahrens relativ zu dem ersten Plattenelement 2 in Bearbeitungsrichtung x. Der Laserbearbeitungsstrahl 11 kann während des Laserbearbeitungsverfahrens in einer zur Bearbeitungsrichtung x quer orientierten Querrichtung y ausgelenkt werden.

Zwischen zwei benachbarten Sicken 4 eines Plattenelements bildet sich ein Steg 5 aus, welcher zumindest näherungsweise parallel zur Längserstreckung 19 der Sicken 4 orientiert ist.

Jedes Plattenelement weist eine Plattenoberseite 9 auf, wobei zumindest das erste Plattenelement 2 neben der Plattenoberseite 9 auch Sicken 4 aufweist. Die sich zwischen zwei benachbarten Sicken 4 bildenden Stege 5 sind Teil der Plattenoberseite 9. Die Sicken 4 weisen bezüglich der Plattenoberseite 9 eine Tiefe t auf, wobei sich die Tiefenrichtung z senkrecht zur Fläche, in welcher die Plattenoberseite 9 liegt, erstreckt.

Die Stege 5 verlaufen ebenfalls längs der Bearbeitungsrichtung x. Durch die Ausbildung der Sicken 4 und Stege 5 entstehen bei einem Aufeinanderbringen der beiden Plattenelemente zwischen dem ersten Plattenelement 2 und dem zweiten Plattenelement 3 in der Längserstreckung 19 Kanalstrukturen, insbesondere Kühlkanäle 6.

Im somit entstandenen Kühlmittelkreislauf können nicht dargestellte Öffnungen zur Kühlmittelzu- und/oder -abfuhr vorgesehen sein. Bei einem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1a weisen das erste Plattenelement 2 und das zweite Plattenelement 3 Sicken 4 und eine im Wesentlichen komplementäre und insbesondere bezüglich einer Spiegelebene 8 spiegelbildliche Form auf. Insbesondere werden dabei in einem vorgelagerten Verfahrensschritt die Sicken 4 des ersten Plattenelements 2 und die Stege 5 des zweiten Plattenelements 3 gegenüberliegend angeordnet und die beiden Plattenelemente 2, 3 eingespannt.

Zur späteren Bearbeitung der beiden Plattenelemente 2, 3 ist es hilfreich, wenn die beiden Plattenelemente 2, 3 zumindest abschnittsweise eine gemeinsame mechanische Berührungsfläche zueinander aufweisen.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 b ist eines der beiden Plattenelemente 2, 3, insbesondere das zweite Plattenelement 3 plan ausgebildet. Da das zweite Plattenelement 3 keine Sicken 4 oder Stege 5 aufweist, ist keine vorgelagerte Positionierung der Sicken 4 und Stege 5 der beiden Plattenelemente 2, 3 notwendig.

Das erste Plattenelement 2 und das zweite Plattenelement 3 werden durch eine Laserschweißung miteinander verbunden. Dabei ist es wichtig, dass die beiden Plattenelemente 2, 3 fluiddicht miteinander verschweißt werden, um den späteren Ausschuss und Testaufwand über die Dichtigkeit der Bipolarplatten 1 zu reduzieren.

Die Dicke des ersten Plattenelements 2 und/oder des zweiten Plattenelements 3 beträgt im ungeschweißten Zustand unter 200 pm, bevorzugt ein Dicken von unter 100 pm, besonders bevorzugt von unter 75 pm. Möglich sind Dicken von mindestens 50 pm.

Aus den beiden verschweißten Plattenelemente 2, 3 lässt sich eine Bipolarplatte 1 hersteilen, welche Bestandteil einer Brennstoffzellenanordnung sein kann.

Bei Brennstoffzellen werden üblicherweise mehrere Brennstoffzellen aufeinander geschichtet zu einem Brennstoffzellenstack. Die Abtrennung zwischen den einzelnen Zellen erfolgt durch Bipolarplatten. Die Bipolarplatte zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass sie einerseits kostengünstig herstellbar ist und andererseits hohe Anforderungen an die Dichtigkeit sowie die gute Stromweiterleitung durch die Bipolarplatte hindurch bietet.

Fig. 2a zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Plattenoberseite 9 eines Plattenelements, wobei ein Ausschnitt A des Plattenelements in Fig. 2b vergrößert dargestellt ist. Das erste Plattenelement 2 und/oder das zweite Plattenelement 3 weisen, wie in Fig. 1a und 1 b gezeigt, Sicken 4 auf, die sich längs der Längserstreckung 19 erstrecken. Jede Sicke 4 besitzt dabei in einer quer zur Längserstreckung 19 verlaufenden Querrichtung y ein Geometriemerkmal 7, wie beispielsweise eine tiefste Stelle.

Unter der tiefsten Stelle wird eine Höheninformation, insbesondere eine Tiefe t in Tiefenrichtung z, gemessen von der Plattenoberseite 9 zu dieser Position innerhalb der Sicke 4, verstanden, wobei die Tiefenrichtung z insbesondere senkrecht zur Querrichtung y und zur Längserstreckung 19 des Plattenelements orientiert ist. Der Verlauf der tiefsten Stelle 7 entlang der Längserstreckung 19 in einer Sicke 4 kann parallel zur Bearbeitungsrichtung x sein. Eine Position des Geometriemerkmals 7 kann entlang der Längserstreckung 19 der Sicke 4 bezüglich der Querrichtung y variieren (siehe Fig. 2b).

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung 20 zur Bearbeitung mindestens eines ersten Plattenelements 2 und eines zweiten Plattenelements 3 einer Bipolarplatte 1. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 20 weist eine Laserquelle 10 zur Bereitstellung eines Laserbearbeitungsstrahls 11 und einen optischen Kohärenztomographen 21 zur Detektion des Geometriemerkmals 7 auf.

Weiter umfasst die Laserbearbeitungsvorrichtung 20 insbesondere eine Auswertungseinrichtung 17 zur Analyse des Auswertungssignals 16, welches Informationen zu dem detektieren Geometriemerkmal 7 umfasst, und eine Steuereinrichtung 18 zur Nachregelung des Laserbearbeitungsstrahls 11 . Die Laserquelle 10 erzeugt den Laserbearbeitungsstrahl 11, der mittels eines Laserscanners 15 auf das Plattenelement 2 gerichtet wird, um den Laserbearbeitungsstrahl 11 auf der Plattenelementoberfläche zweidimensional oder auch dreidimensional, wenn der Laserscanner 15 eine Z-Achse hat, abzulenken.

Der optische Kohärenztomograph 21 weist in bekannter Weise eine OCT-Lichtquelle (z.B. Superlumineszenzdiode) 28 zur Erzeugung eines OCT-Strahls 22, einen Strahlteiler 23 zum Aufteilen des OCT-Strahls 22 in einen Messstrahl 24 und einen Referenzstrahl 26 auf.

Der Messstrahl 24 wird an einen Messarm 27 weitergeleitet und trifft auf die Plattenoberseite 9 des Plattenelements 2, an welcher der Messstrahl 24 zumindest teilweise reflektiert und an den in dieser Richtung undurchlässigen oder teildurchlässigen Strahlteiler 23 zurückgeführt wird. Der Referenzstrahl 26 wird an einen Referenzarm 25 weitergeleitet und am Ende des Referenzarms 25 von einem Spiegel 30 reflektiert. Der reflektierte Referenzstrahl wird ebenfalls an den Strahlteiler 23 zurückgeführt.

Die Überlagerung der beiden reflektierten Strahlen wird schließlich von einem ortsauflösenden Detektor (OCT Sensor) 29 detektiert, um unter Berücksichtigung der Länge des Referenzarms 25 Höheninformationen über die Sicke 4 des Plattenelements 2 und/oder die aktuelle Eindringtiefe des Laserbearbeitungsstrahls 11 in das Plattenelement 2 zu ermitteln. Dieses Verfahren basiert auf dem Grundprinzip der Interferenz von Lichtwellen und ermöglicht es, Höhenunterschiede entlang einer Messstrahlachse im Mikrometerbereich zu erfassen.

An den Messarm 27 schließt sich ein OCT-(Kleinfeld)Scanner 14 an, um den Messstrahl 24 auf der Plattenoberseite 9 des Plattenelements 2 zweidimensional abzulenken und so einen Bereich der Plattenoberseite 9 des Plattenelements 2 beispielsweise mit parallelen Linienscans in Querrichtung y zur Längserstreckung 19 der Sicken 4 abzuscannen.

Über einen Umlenkspiegel 13 und einen Spiegel 12, der im Strahlengang des Laserbearbeitungsstrahls 11 angeordnet ist, wird der Messstrahlstrahl 24 in den Laserscanner 15 eingekoppelt, um den Messtrahl 24 auf das Plattenelement 2 zu richten.

Gemäß der Ausführungsform, wie in Fig. 2a und 2b gezeigt, schreitet der Messstrahl 24 in Bearbeitungsrichtung x vor dem Laserbearbeitungsstrahl 11 fort. Der Messstrahl 24 kann mit einem definierten Abstand d, beispielsweise zwischen 3 mm und 10 mm, zu dem Laserbearbeitungsstrahl 11 beabstandet sein. Der Abstand d erstreckt sich dabei, gemessen vom Mittelpunkt des Laserbearbeitungsstrahls 11 hin zum Messstrahl 24. Bei einer weiteren Ausführungsform kann der Abstand d zwischen dem Laserbearbeitungsstrahl 11 und dem Messstrahl 24 während der Detektion des Geometriemerkmals 7 variieren.

Der bewegbare OCT-Scanner 14 ist dazu eingerichtet, den Messstrahl 24 in gewünschter Weise an einzelne Messpositionen auf eine Vielzahl von Messpunkten in Querrichtung y zu verlagern (siehe Doppelpfeil gemäß dem Ausführungsbeispiel in Fig. 2b). Die Lage der Messpositionen sowie die Anzahl der Messpunkte kann hierbei frei gewählt werden, muss allerdings zumindest die Breite einer Sicke 4 in Querrichtung y abdecken.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung funktioniert wie folgt:

Zur Verschweißung des ersten Plattenelements 2 und des zweiten Plattenelementes 3 sind die Plattenelemente beispielsweise zueinander eingespannt angeordnet. Gemäß dem Ausführungsbeispiel wie in Fig. 1a gezeigt, werden in einem der Verschweißung vorgelagerten Verfahrensschritt, das erste Plattenelement 2 und das zweite Plattenelement 3 insbesondere spiegelbildlich zueinander angeordnet. Dabei wird zumindest abschnittsweise ein mechanischer Kontakt zwischen mindestens einer Sicke 4 des ersten Plattenelements 2 und mindestens einem Steg 5 des zweiten Plattenelements 3 hergestellt.

In einem nächsten Verfahrensschritt werden der Laserbearbeitungsstrahl 11 und der Messstrahl 24 mittels des Laserscanners 15 und OCT-Scanners 14 auf dem Werkstück, beispielsweise der Plattenoberseite 9 des ersten Plattenelements 2, in einem bestimmten Abstand d voneinander, positioniert. Dabei trifft der Messstrahl voranschreitend vor dem Laserbearbeitungsstrahl entlang des Bearbeitungsrichtung x (pre-Messposition) auf der Plattenoberseite 9 des Plattenelements 2 auf. Der Laserbearbeitungsstrahl 11 und der Messstrahl 24 verlaufen entlang der Bearbeitungsrichtung x, wobei der Laserbearbeitungsstrahl 11 entlang der Bearbeitungsrichtung x mittels des Laserscanner 15 eine Hin- und Herauslenkung erzeugen kann.

Vor Ausbildung einer Schweißverbindung zwischen dem ersten Plattenelement 2 und dem zweiten Plattenelement 3, wird mittels des Messstrahls 24 mindestens eines in einer Querrichtung y zur Längserstreckung 19 der Sicke 4 verlaufendes Geometriemerkmal 7 im optischen Kohärenztomographen 21 detektiert.

Nach Weiterleitung der Vielzahl der durch den optischen Kohärenztomographen 21 mittels des Messstrahls 24 erfassten Messpunkte an die Auswertungseinheit 17, wertet die Auswertungseinrichtung 17 die ermittelten Messpunkte hinsichtlich eines Auswertungssignal 16 aus. Das Auswertungssignal 16 enthält dabei Informationen über die Position des detektierten Geometriemerkmals 7 in Querrichtung y.

Die Auswertungseinrichtung 17 liefert die Informationen über die Position des Geometriemerkmals 7 an eine Steuereinrichtung 18 weiter. Die Steuereinrichtung 18 ist mit dem OCT-Scanner 14 und dem Laserscanner 15 verbunden und regelt den Laserbearbeitungsstrahl 11 an die Position des zuvor erfassten Geometriemerkmals 7 nach, sodass das erste Plattenelement 2 und das zweite Plattenelement 3 an der Position des Geometriemerkmals 7 mittels des Laserbearbeitungsstrahls 11 verschweißt werden.

Während der Verschweißung des ersten Plattenelements 2 und des zweiten Plattenelements 3 schreitet der Messstrahl 24 vor dem Laserbearbeitungsstrahl 11 fort und detektiert fortlaufend Positionen von Geometriemerkmalen 7 in einer Querrichtung y zur Längserstreckung 19 der Sicke 4. Es werden dabei stetig Auswertungssignale 16 mit der Information über die Position des Geometriemerkmals 7 and die Steuereinrichtung übermittelt, sodass der Laserbearbeitungsstrahl 11 mittels des Laserscanner 15 unmittelbar an die Position des Geometriemerkmals 7 nachgeregelt werden kann. Die Regelung und Positionierung des Laserbearbeitungsstrahls 11 an die Position des zuvor durch den Messstrahls 24 detektierten Geometriemerkmals 7 führt zu einer Verbesserung der Dichtigkeit der Schweißung. Eine Ursache für undichte Stellen können Ungenauigkeiten in der Laserstrahlpositionierung sein. Durch die Positionierung des Laserbearbeitungsstrahls 11 an die Position des Geometriemerkmals 7 einer Sicke 4 eines Plattenelementes 2 trifft der Laserbearbeitungsstrahl 11 in vorteilhafter Weise den Auflagepunkt zum darunterliegenden zweiten Plattenelement 3 und ermöglicht eine dichte Schweißverbindung.

Bezuqszeichenliste

1 Bipolarplatte

2 Erstes Plattenelement

3 Zweites Plattenelement

4 Sicke

5 Steg

6 Kühlkanal

7 Geometriemerkmal

8 Spiegelebene

9 Plattenoberseite

10 Laserquelle 11 Laserbearbeitungsstrahl 12 Spiegel

13 Umlenkspiegel

14 OCT-Scanner

15 Laserscanner

16 Auswertungssignal

17 Auswertungseinrichtung

18 Steuereinrichtung

19 Längserstreckung

20 Laserbearbeitungsvorrichtung 21 Optischer Kohärenztomograph 22 OCT-Strahl

23 Strahlteiler

24 Messstrahl

25 Referenzarm

26 Referenzstrahl

27 Messarm

28 OCT-Lichtquelle

29 Detektor

30 Spiegel d Abstand d t Tiefe t x Bearbeitungsrichtung x y Querrichtung y z Tiefenrichtung z

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (1), umfassend mindestens zwei miteinander verbundene Plattenelemente (2, 3), mit folgenden Schritten:

- Bereitstellen eines ersten Plattenelements (2) und eines zweiten Plattenelements (3), wobei das erste Plattenelement (2) mindestens eine Sicke (4) mit einer Längserstreckung (19) umfasst,

- Ausbilden einer Schweißverbindung zwischen dem ersten Plattenelement (2) und dem zweiten Plattenelement (3) entlang der Längserstreckung (19) der mindestens einen Sicke (4) mittels eines in Längserstreckung (19) der Sicke (4) fortschreitenden Laserbearbeitungsstrahls (11), wobei

- vor Ausbildung der Schweißverbindung ein sich in einer Querrichtung (y) zu der Längserstreckung (19) der mindestens einen Sicke (4) befindliches Geometriemerkmal (7) der mindestens einen Sicke (4) des ersten Plattenelements (2) detektiert wird, wobei das Geometriemerkmal (7) der Sicke (4) des ersten Plattenelements (2) eine tiefste Stelle der Sicke (4) und/oder eine Stelle definierter Tiefe der Sicke (4) ist,

- der Laserbearbeitungsstrahl (11 ) in Querrichtung (y) an eine Position des detektierten Geometriemerkmals (7) nachgeregelt wird, und

- das erste Plattenelement (2) und das zweite Plattenelement (3) an der Position des Geometriemerkmals (7) mittels des Laserbearbeitungsstrahls (11 ) verschweißt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Geometriemerkmal (7) mittels eines Messstrahls (24) optisch und/oder berührungslos, insbesondere mittels eines optischen Kohärenztomographen (21) detektiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Kohärenztomograph (21) einen Referenzstrahl (26) und den Messstrahl (24) bereitstellt, wobei der Referenzstrahl (26) an einem Referenzspiegel (30) des optischen Kohärenztomographen (21) reflektiert wird, der Messstrahl (24) an dem ersten Plattenelement (2) reflektiert wird, und der reflektierte Referenzstrahl (26) und der reflektierte Messstrahl (24) zur Erzeugung eines Auswertungssignals (16) überlagert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein von dem optischen Kohärenztomographen (21) erzeugtes Auswertungssignal (16) eine Information hinsichtlich einer Tiefe der Sicke entlang der Querrichtung (y) aufweist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Plattenelement (2) und das zweite

Plattenelement (3) vor Ausbildung der Schweißverbindung zueinander eingespannt angeordnet werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Sicke (4) des ersten Plattenelements (2) und mindestens eine Sicke (4) des zweiten

Plattenelements (3) spiegelbildlich zueinander angeordnet sind, und/oder dass zwischen einander in Querrichtung (y) benachbarten Sicken (4) ein Hohlraum zur Ausbildung eines Kanals, insbesondere Kühlkanals (6), ausgebildet wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißverbindung zwischen dem ersten

Plattenelement (2) und dem zweiten Plattenelement (3) fluiddicht ausgebildet wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserbearbeitungsstrahl (11) eine Wellenlänge von mindestens 350 nm und/oder höchstens 1100 nm aufweist.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Plattenelement (2) und/oder das zweite Plattenelement (3) einen metallischen, grafitischen, keramischen oder polymerischen Werkstoff umfasst oder daraus hergestellt ist.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Plattenelement (2) und/oder das zweite Plattenelement (3) eine Dicke von unter 200 pm, bevorzugt von unter 100 pm, besonders bevorzugt von unter 75 pm aufweisen.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mittels des optischen Kohärenztomographen (21) erzeugte Messstrahl (24) mittels wenigstens einer Messstrahlablenkeinrichtung (14) relativ zu dem Plattenelement (2, 3) und unabhängig vom Laserbearbeitungsstrahl (11) bewegt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der mittels des optischen Kohärenztomographen (21) erzeugte Messstrahl (24) in einer Bearbeitungsrichtung (x) mit einem Abstand (d) vor dem Laserbearbeitungsstrahl (11) angeordnet ist, wobei die Bearbeitungsrichtung (x)parallel zur Längserstreckung (19) der Sicke (4) orientiert ist.

13. Vorrichtung zur Herstellung einer Bipolarplatte (1) mit mindestens zwei miteinander verbundenen Plattenelementen (2, 3), umfassend:

- eine Laserquelle mit einem Laserbearbeitungsstrahls (11), welche eine Schweißverbindung zwischen dem ersten Plattenelement (2) und dem zweiten Plattenelement (3) entlang einer Längserstreckung (19) mindestens einer Sicke (4) des ersten Plattenelements (2) ausbildet;

- einen optischen Kohärenztomographen (21), welcher ein sich in einer Querrichtung (y) zu der Längserstreckung (19) der mindestens einen Sicke (4) befindliches Geometriemerkmal (7) der mindestens einen Sicke (4) des ersten Plattenelements (2) vor Ausbildung der Schweißverbindung detektiert, wobei das Geometriemerkmal (7) der Sicke (4) des ersten Plattenelements (2) eine tiefste Stelle der Sicke (4) und/oder eine Stelle definierter Tiefe der Sicke (4) ist;

- eine Steuerungseinrichtung (18) zur Steuerung des Laserbearbeitungsstrahls (11), wobei der Laserbearbeitungsstrahl (11) in Querrichtung (y) an eine Position des detektierten Geometriemerkmals (7) nachgeregelt wird, sodass das erste Plattenelement (2) und das zweite Plattenelement (3) an der Position des Geometriemerkmals (7) mittels des Laserbearbeitungsstrahls (11 ) verschweißt werden.