WO2020165140A1 - VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUM HERSTELLEN VON LASERGESCHWEIßTEN BLECHEN, INSBESONDERE ZUM DURCHTAKTEN VON DERARTIGEN BLECHEN SOWIE VERWENDUNG DER VORRICHTUNG UND DES VERFAHRENS - Google Patents

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUM HERSTELLEN VON LASERGESCHWEIßTEN BLECHEN, INSBESONDERE ZUM DURCHTAKTEN VON DERARTIGEN BLECHEN SOWIE VERWENDUNG DER VORRICHTUNG UND DES VERFAHRENS Download PDF

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WO2020165140A1 PCT/EP2020/053424 EP2020053424W WO2020165140A1 WO 2020165140 A1 WO2020165140 A1 WO 2020165140A1 EP 2020053424 W EP2020053424 W EP 2020053424W WO 2020165140 A1 WO2020165140 A1 WO 2020165140A1
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cutting
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Dieter Kapp
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Theodor Gräbener GmbH & Co. KG
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a device and method for producing laser-welded metal sheets, in particular for cycling through laser-welded metal sheets.
  • the invention also relates to the use of a corresponding device and a method for processing at least one microstructure plate.
  • Microstructure plates are understood to mean in particular thin-walled plates which are preferably made from a metallic material. Corresponding microstructures with high precision can be achieved in particular by hydroforming.
  • the invention relates in particular to a device and a method for producing bipolar plates produced from at least two individual plates by laser welding, preferably bipolar plates suitable for fuel cells.
  • a device and a method for producing bipolar plates produced from at least two individual plates by laser welding preferably bipolar plates suitable for fuel cells.
  • two or more prefabricated microstructure plates are cut and welded with a corresponding device.
  • the sequence of cutting and welding can be determined as required depending on the workpiece to be machined. Independently of this, a multiple change between cutting and welding and / or simultaneous cutting and welding is also possible.
  • a laser processing device for general processing of a workpiece with a laser beam which has a stationary frame, a laser scanning device, a workpiece holder and a beam control unit that is controllable in at least two dimensions. The device should make it possible to scan a processing area of a workpiece to be processed.
  • a first manipulation device and a second manipulation device are provided for performing relative movements between the stationary frame and the workpiece holder on the one hand and between the laser scanning device and the stationary frame on the other.
  • This laser processing device is described exclusively in connection with laser beam welding and is to be used in particular for the production of a transmission part manufactured by welding several individual parts, for example for a shift shaft, a shift drum, a locking sleeve, a shift fork or as a guide box or a Steering column housing from the steering area of a motor vehicle. It is also pointed out that the laser beam of such a device can alternatively be designed for other processing methods, for example for hardening or soldering.
  • a method and a device for producing a base plate for a bipolar plate of a fuel cell are known from DE 10 2010 022 094 A1.
  • the method comprises cutting out a base plate from a starting material by remote laser cutting, optional post-processing by smoothing cutting edges of the base plate and / or cleaning the base plate, in particular by means of laser beam processing and / or by means of electron beam processing.
  • remote laser cutting reference is made to the use of beam deflection units with one or more mirrors for directing the laser beam, in particular a combination of beam deflection units with rotating facet mirrors and / or tiltable deflection mirrors.
  • these beam deflection units which are also called dynamic scanners, scanner heads or mirror scanners
  • beam deflection units By using such beam deflection units, relatively high cutting speeds can be achieved on the starting material.
  • electron beam processing and in connection with laser beam processing reference is also made to the fact that these techniques are used to weld two base plates to form a bipolar plate and, if necessary, to clean the surfaces of the base plates welded to form a bipolar plate.
  • the invention is based on the object of providing a device and a method with which a high quality and particularly efficient cutting (in particular cutting out of partial sections and trimming) and welding of sheet metal is made possible.
  • a device for producing laser-welded metal sheets comprises at least one scanning device and at least one laser processing device for cutting and / or welding metal sheets. Furthermore, means for holding, cutting and welding sheets to be processed are designed and arranged in such a way that cutting and welding can be carried out without an intermediate step. In the case of holding by tensioning, re-tensioning is particularly unnecessary. In the case of a different holding technique, other intermediate steps that would otherwise be required can be omitted, for example in the case of holding by means of magnetic force, releasing and re-fixing, in particular by deactivating and reactivating an electromagnet.
  • the above-mentioned welding means both welding work on a single sheet and the welding of two or more Sheet metal to a sheet metal unit. For example, two metal sheets can be welded to form a bipolar plate for a fuel cell.
  • Welding can relate to welding and thus connecting (joining) two elements. Alternatively, however, it can also be functionally directed towards the formation of weld seams in order to achieve contact, to seal two elements to one another in certain areas and / or to achieve a support function through the mechanical effect.
  • Clamping devices by means of which one or more metal sheets to be processed can be mechanically fixed by applying a suitable clamping force, are particularly suitable as means for holding.
  • the device is designed in particular in such a way that welding, cutting and optionally also marking one sheet or more sheets is possible without a corresponding re-clamping, so that, if necessary, a large number of work steps that include single or multiple cutting,
  • Welding and / or marking of tools can take place without changing the relative position between the scanning device and the laser processing device in the meantime. In this case, no reclamping is required as an intermediate step. This enables a high production speed and, at the same time, a high production accuracy and quality to be achieved.
  • multi-axis deflection units which are also referred to as remote lasers.
  • laser beam deflection systems that can have 2-axis, 3-axis or other multi-axis structures. These preferably have a mirror system that enables the laser beam to move without moving the device generating the laser.
  • the mass of the deflection unit (mirror or the like) to be moved is very small, so that very good processing speeds can be achieved.
  • the effects of mass due to the movement of the deflection unit are almost non-existent and are therefore negligible.
  • an optical beam expansion which is caused by the use of mirrors and the path from the generation of the laser to the workpiece, can also be compensated for by means of appropriate correction systems.
  • the device according to the invention makes it possible to process metal sheets by means of welding almost free of smoke and almost free of oxides with minimal gassing. The same also applies to cutting and marking sheet metal. Trimming can be done almost burr-free and requires little or no post-processing effort. Overall, a very high processing speed can be achieved with the device according to the invention.
  • only one laser processing device is preferably provided which enables cutting, welding and optionally also marking.
  • laser processing devices which are suitable for processing microstructured metal sheets which are used for the production of bipolar plates.
  • Such laser processing devices provide a processing power of more than 1.0 kW, in particular powers between 1.0 and 2.0 kW, in order to process the metal sheets by cutting.
  • the processing power can be increased to values between 250 W using a suitable control system and 600 W can be reduced to enable machining in the form of welding.
  • the processing power can also be set to values between 50 W and 150 W, in particular to values of 80 W +/- 20 W.
  • a transport device is provided to convey sheets to be processed to at least one scanning device and at least one laser processing device, to process them there by cutting and / or welding and then to convey processed sheets out of the device, the degree of automation can be further increased and the efficiency of a corresponding device can be further improved.
  • At least one carrier element is provided as the means for holding, into which sheet metal to be processed can be inserted, the
  • Carrier element is designed such that both trimming and welding of one or more metal sheets inserted in a carrier element is possible.
  • the carrier elements used are a plurality of automation carriers which are designed to interact with a carrier handling device in such a way that metal sheets in the automation carriers can be indexed through.
  • Automation carriers are in particular those carrier elements that are used not only for the temporary arrangement of sheets to be machined for machining by cutting, welding and / or marking, but also for transport purposes for conveying into a device according to the invention and / or used for conveying out of such a device.
  • the automation carriers are preferably designed in such a way that clocking through the process of the automation carrier is made possible by means of a linear and / or rotary movement.
  • the movements also include pivoting movements and any three-dimensional movements by means of corresponding guide devices.
  • the linear movements mentioned also include pure stroke movements, in particular a short, temporary one
  • the automation carrier can then be returned to a conveyor line by means of a corresponding return movement (e.g. lifting up for cycling and lowering down for further transport).
  • the further conveyance can also take place in a different direction than the return movement.
  • the throughput through a device according to the invention can be further increased if a traversing unit is provided which makes it possible to move sheets to be processed in a direction transverse to a conveying direction of the conveying direction in order to temporarily clock them out of a conveying line specified by the conveying device and outside of the Edit the funding line.
  • This makes it possible to decouple the processing by cutting, welding and / or marking from other processes, in particular upstream or downstream processes. This can be used in particular to set a cycle rate for cutting,
  • a sheet metal is formed into a microstructure plate by hydroforming in an upstream process at a cycle rate of 2 seconds, even if the processing time in a device according to the invention would be 6 seconds, by providing a transport unit and suitable installation of three processing stations A cycle rate of 2 seconds for processing by cutting, welding and / or marking can be realized with devices according to the invention.
  • clamping devices are preferably provided as holding means in devices according to the invention.
  • the moving unit is designed either as a means for holding in the form of a clamping device, or the moving unit is combined with a clamping device.
  • the clamping device enables one or more metal sheets or support elements with one or more inserted metal sheets to be conveyed from a transport plane to a processing plane and, in particular by clamping, for one to fix subsequent processing.
  • a device according to the invention is designed in such a way that a transport level 0 is provided and the processing of the metal sheets takes place in a processing level 1 different from transport level 0, in particular such that the metal sheets are welded during processing , Cutting and / or marking are clocked out from transport level 0 and then optionally clocked back into this transport level. It has proven to be particularly suitable if the metal sheets are conveyed from the transport level 0 into the processing level 1 by means of a clamping device and are clamped against an abutment level 2 for fixing in the processing level 1. For this purpose, clamping surfaces, clamping masks, clamping glasses or other suitable clamping elements can be arranged in the abutment plane 2.
  • the abutment plane 2 also provides connections for the corresponding clamping device and / or for optional further functions of the device.
  • the fixation is preferably carried out in such a way that the transport plane is available during processing for conveying further metal sheets or carrier elements with one or more inserted metal sheets. is available and can be used.
  • a single transport line can be combined with two or more sequentially arranged and parallel processing stations to save installation space.
  • two or more processing stations can also be arranged spatially parallel, in which case a lateral movement of the metal sheets to be processed is also required.
  • scanning devices and laser processing devices are provided in a device according to the invention, at least one scanning device and one laser processing device each forming a processing station and two or more processing stations being provided accordingly.
  • the invention also relates to a method for producing laser-welded metal sheets with a device as described above. According to a method according to the invention, a large number of metal sheets are clocked through by means of the device, i. processed continuously or quasi-continuously.
  • At least one of the following method steps is additionally carried out, several of these method steps also being able to be carried out simultaneously or in any suitable sequence: a) Transporting metal sheets to be processed to at least one scanning device and at least one laser processing device , Processing by cutting, welding and / or marking, conveying processed metal sheets out of the device, b) inserting metal sheets to be processed in carrier elements and subsequent processing by welding, cutting and / or marking in the respective carrier element, c) method of sheets to be processed or of carrier elements with one or more inserted sheets from a transport level to a processing level in order to enable processing by cutting and / or welding in one of the transport level different processing level, d) assignment and movement of automation carriers to different processing stations in order to achieve a cycle rate that is less than the processing time in the respective processing station, e) fixing of one sheet or more Sheets by means of a clamping device before machining by cutting, welding and / or marking and subsequent continuous machining with at least two of the machining methods cutting
  • the invention also relates to the use of a device as described above and / or a method as described above for processing at least one microstructure plate by welding, cutting and / or marking the at least one microstructure plate.
  • a device as described above and / or a method as described above for processing at least one microstructure plate by welding, cutting and / or marking the at least one microstructure plate.
  • microstructure plates which are used for the production of bipolar plates, heat exchanger plates, reformer plates or microreactor plates.
  • FIG. 1 An exemplary embodiment of a device according to the invention is shown in the schematic FIG. 1 explained below.
  • the device 10 shown schematically in FIG. 1 is an embodiment with three mutually independent processing stations 12a, 12b, 12c. In these processing stations 12a, 12b,
  • At least one scanning device (not shown) and at least one laser processing device (not shown) are provided, with which the metal sheets to be processed - also not shown - can be scanned and processed by laser irradiation.
  • Automation carriers 14a, 14b, 14c, 14d are provided for the transport of metal sheets to be processed.
  • One or more metal sheets (not shown) inserted in the automation carrier are transported in a conveying direction according to the arrow F in a transport plane T0.
  • the automation carriers 14a, 14b, 14c, 14d can be lifted into a processing level B1 in the direction of the double arrows E1, E2, E3 by means of a clamping device (not shown).
  • a clamping device not shown
  • the metal sheets with the automation supports are clamped against corresponding abutments 16, shown here only schematically as a block, which are arranged in an abutment plane W2.
  • the arrangement of the processing stations 12a, 12b, 12c is implemented in such a way that laser beams generated by the corresponding laser processing devices (not shown) are unimpeded, preferably using suitable deflection devices (mirrors) onto a sheet (or several) located in the processing plane B1 such sheets) can be steered in order to be able to effect precise machining by cutting, welding or marking.
  • the automation carriers are clocked out by leaving the transport level T0 for processing by means of the processing stations 12a, 12b, 12c. After the processing, the automation carriers with the processed metal sheets are clocked in again in this embodiment and conveyed out of the device 10 in the transport plane T0.
  • the clocking in and out has the advantage that during processing in one of the processing stations 12a, 12b, 12c, the transport level T0 can still be used to transport other automation carriers.
  • the automation carrier 14b can be conveyed past the automation carrier 14c in the conveying direction F and transported to the processing station 12a according to the arrow E1, while at the same time the automation carrier 14d is moved from the processing plane B1 according to the arrow E1 into the Transport level T0 back and then transported out of the device in the transport level T0. At the same time, the automation carrier 14c is processed in the processing station 12b.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen von lasergeschweißten Blechen mit mindestens einer Scanvorrichtung und mindestens einer Laserbearbeitungsvorrichtung zum Schneiden und/oder Schweißen von Blechen, wobei Mittel zum Halten, zum Schneiden und zum Schweißen zu bearbeitender Bleche derart ausgebildet und angeordnet sind, dass Schneiden und Schweißen ohne Zwischenschritt durchführbar ist.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen von lasergeschweißten Blechen, insbesondere zum Durchtakten von derartigen Blechen sowie Verwendung der Vorrichtung und des Verfahrens
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen von lasergeschweißten Blechen, insbesondere zum Durchtakten von laserge- schweißten Blechen. Die Erfindung betrifft auch die Verwendung einer entsprechenden Vorrichtung und eines Verfahrens zur Bearbeitung mindes- tens einer Mikrostrukturplatte. Unter Mikrostrukturplatten werden insbeson- dere dünnwandige Platten verstanden, die vorzugsweise aus einem metalli- schen Werkstoff gefertigt sind. Entsprechende Mikrostrukturen mit hoher Präzision lassen sich insbesondere durch Hydroforming erzielen.
In einer speziellen Ausführungsform betrifft die Erfindung insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von aus mindestens zwei Einzelplatten durch Laserverschweißen hergestellten Bipolarplatten, vor- zugsweise für Brennstoffzellen geeignete Bipolarplatten. Dazu werden insbesondere zwei oder mehr vorgefertigte Mikrostrukturplatten mit einer entsprechenden Vorrichtung beschnitten und verschweißt. Dabei kann die Reihenfolge des Schneidens und Schweißens abhängig von dem jeweils zu bearbeitenden Werkstück beliebig festgelegt werden. Unabhängig davon ist auch ein mehrmaliger Wechsel zwischen Schneiden und Schweißen und/oder ein gleichzeitiges Schneiden und Schweißen möglich.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung insbesondere zur Bearbei- tung von metallischen Platten mit geringer Dicke gemacht wurde. Diesbe- züglich wird insbesondere auf Plattendicken von maximal 1 mm, vorzugs- weise maximal 0,5 mm, besonders bevorzugt maximal 0,25 mm und weiter bevorzugt maximal 0,2 mm oder sogar maximal 0,1 mm verwiesen. Aus DE 20 2011 050 208 U1 ist eine Laserbearbeitungsvorrichtung zur allgemeinen Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Laserstrahl bekannt, die einen ortsfesten Rahmen, eine Laserscanvorrichtung, eine Werkstück- halterung und eine zumindest in zwei Dimensionen steuerbare Strahlablen- keinheit aufweist. Die Vorrichtung soll es ermöglichen, einen Bearbeitungs- bereich eines zu bearbeitenden Werkstücks abzuscannen. Zur Durchfüh- rung von Relativbewegungen zwischen dem ortsfesten Rahmen und der Werkstückhalterung einerseits sowie zwischen der Laserscanvorrichtung und dem ortsfesten Rahmen andererseits sind eine erste Manipulationsein- richtung und eine zweite Manipulationseinrichtung vorgesehen. Diese Laserbearbeitungsvorrichtung ist ausschließlich in Verbindung mit dem Laserstrahlschweißen beschrieben und soll insbesondere für die Herstel- lung eines durch Verschweißen mehrerer Einzelteile gefertigten Getriebe- teils eingesetzt werden, beispielsweise für eine Schaltwelle, eine Schaltwal- ze, eine Rastierhülse eine Schaltgabel oder als ein Führungskasten oder ein Lenksäulengehäuse aus dem Lenkungsbereich eines Kraftfahrzeuges. Es wird auch darauf verwiesen, dass der Laserstrahl einer solchen Vorrich- tung alternativ für andere Bearbeitungsverfahren ausgelegt sein kann, beispielsweise zum Härten oder Löten.
Aus DE 10 2010 022 094 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen einer Grundplatte für eine Bipolarplatte einer Brennstoffzelle bekannt. Das Verfahren umfasst das Ausschneiden einer Grundplatte per Remote-Laserschneiden aus einem Ausgangsmaterial, ein optionales Nachbearbeiten durch Glätten von Schneidrändern der Grundplatte und/oder ein Reinigen der Grundplatte, insbesondere mittels einer Laser- strahlbearbeitung und/oder mittels einer Elektronenstrahlbearbeitung. In Verbindung mit dem Remote-Laserschneiden wird auf die Verwendung von Strahlablenkeinheiten mit einem oder mehreren Spiegeln zum Lenken des Laserstrahls verwiesen, insbesondere auf eine Kombination Strahlablenk- einheiten mit rotierenden Facettenspiegeln und/oder verkippbaren Ablenk- spiegeln. Mittels dieser Strahlablenkeinheiten, die auch dynamischer Scanner, Scannerkopf oder Spiegelscanner genannt werden, wird der Laserstrahl auf seine jeweilige Arbeitsposition auf dem zu bearbeitenden Ausgangsmaterial ausgerichtet und entlang eines vorgegebene Schneidwe- ges geführt. Durch die Verwendung derartiger Strahlablenkeinheiten können relativ hohe Schneidgeschwindigkeiten am Ausgangsmaterial erzielt wer- den. In Verbindung mit der Elektronenstrahlbearbeitung und in Verbindung mit der Laserstrahlbearbeitung wird jeweils auch darauf verwiesen, dass mittels dieser Techniken zwei Grundplatten zu einer Bipolarplatte ver- schweißt werden und, wenn erforderlich, Oberflächen der zur Bipolarplatte verschweißten Grundplatten nochmal gereinigt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfah- ren zur Verfügung zu stellen, mit welchen ein qualitativ hochwertiges und besonders effizientes Schneiden (insbesondere Ausschneiden von Teilab- schnitten und Beschneiden) und Schweißen von Blechen ermöglicht ist.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere Vorteile und praktische Ausführungsfor- men der Erfindung sind in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Herstellen von lasergeschweißten Blechen umfasst mindestens eine Scanvorrichtung und mindestens eine Laserbearbeitungsvorrichtung zum Schneiden und/oder Schweißen von Blechen. Ferner sind Mittel zum Halten, zum Schneiden und zum Schwei- ßen zu bearbeitender Bleche derart ausgebildet und angeordnet, dass Schneiden und Schweißen ohne Zwischenschritt durchführbar ist. Im Falle eines Haltens durch Spannen entfällt insoweit insbesondere ein Umspan- nen. Im Falle einer anderen Haltetechnik können andere Zwischenschritte entfallen, die sonst erforderlich wären, beispielsweise im Falle eines Hal- tens mittels Magnetkraft das Lösen und erneute Fixieren, insbesondere durch Deaktivierung und Wieder-Aktivierung eines Elektromagnets. Mit dem vorstehend genannten Schweißen sind sowohl Schweißarbeiten an einem einzelnen Blech gemeint als auch das Verschweißen von zwei oder mehr Blechen zu einer Blecheinheit. So können beispielsweise zwei Bleche zu einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle verschweißt werden. Das
Schweißen kann ein Verschweißen und somit ein Verbinden (Fügen) von zwei Elementen betreffen. Es kann aber alternativ auch funktional auf die Ausbildung von Schweißnähten gerichtet sein, um eine Kontaktierung zu erzielen, zwei Elemente zueinander in bestimmten Bereichen abzudichten und/oder eine Stützfunktion durch die mechanische Wirkung zu erzielen.
Als Mittel zum Halten eignen sich insbesondere Spannvorrichtungen, mittels welchen, ein oder mehrere zu bearbeitenden Bleche mechanisch durch Aufbringen einer geeigneten Spannkraft fixierbar sind. In diesem Fall ist die Vorrichtung insbesondere derart ausgebildet, dass Schweißen, Schneiden und optional auch Markieren von einem Blech oder mehreren Blechen ohne ein entsprechendes Umspannen möglich ist, so dass bedarfsweise eine Vielzahl von Arbeitsschritten, die ein- oder mehrmaliges Schneiden,
Schweißen und/oder Markieren von Werkzeugen umfassen können, ohne zwischenzeitliches Verändern der Relativlage zwischen der Scanvorrichtung und der Laserbearbeitungsvorrichtung erfolgen kann. In diesem Fall entfällt als Zwischenschritt ein Umspannen. Dadurch lässt sich eine hohe Ferti- gungsgeschwindigkeit und gleichzeitig eine hohe Fertigungsgenauigkeit und -qualität erzielen.
Als Einzelelemente zur Realisierung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung eignen sich insbesondere alle am Markt verfügbaren, für den Zweck der Erfindung geeigneten Komponenten und Systeme. In Bezug auf das La- serscannersystem und das Laserbearbeitungssystem wird insbesondere auf Mehr-Achsen-Ablenkeinheiten, die auch als Remote-Laser bezeichnet werden. Es handelt sich dabei um Laserstrahlablenksysteme, die 2-achsig, 3-achsig oder anders mehrachsig aufgebaut sein können. Diese weisen vorzugsweise ein Spiegelsystem auf, das eine Bewegung des Laserstrahls ohne Bewegung der den Laser erzeugenden Vorrichtung ermöglicht.
Dadurch ist die zu bewegende Masse der Ablenkeinheit (Spiegel o.ä.) sehr gering, wodurch sehr gute Bearbeitungsgeschwindigkeiten realisierbar sind. Bei Verwendung einer derartigen Laservorrichtung sind die Masseeinflüsse durch Bewegung der Ablenkeinheit nahezu nicht existent und somit ver- nachlässigbar. In Verbindung mit derartigen Laservorrichtungen kann ferner eine optische Strahlaufweitung, die durch die Verwendung von Spiegeln und den Weg von der Erzeugung des Lasers bis zum Werkstück entsteht, mittels entsprechender Korrektursysteme kompensiert werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es, Bleche mittels Schweißen nahezu schmauchfrei und nahezu oxydfrei bei minimaler Begasung zu bearbeiten. Das Gleiche gilt analog auch für das Schneiden und Markieren von Blechen. Das Beschneiden kann nahezu gratfrei erfolgen und erfordert keinen oder nur geringen Nachbearbeitungsaufwand. Insgesamt lässt sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine sehr hohe Bearbeitungsge- schwindigkeit erzielen.
Vorzugsweise ist bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nur genau eine Laserbearbeitungsvorrichtung vorgesehen, die ein Schneiden, Schweißen und optional auch ein Markieren ermöglicht. Diesbezüglich wird insbesonde- re auf die Verwendung von Laserbearbeitungsvorrichtungen verwiesen, die eine ausreichend große Bearbeitungsleistung für das Schneiden der zu bearbeitenden Bleche bereitstellen und gleichzeitig über eine geeignete Steuerung verfügen, die es ermöglicht, durch Reduzierung der Bearbei- tungsleistung die gleiche Vorrichtung auch zum Zwecke des Schweißens und optional zusätzlich zum Zwecke des Markierens zu verwenden.
Nur beispielhaft wird diesbezüglich auf Laserbearbeitungsvorrichtungen verwiesen, die sich für die Bearbeitung von Mikrostrukturblechen eignen, welche für die Herstellung von Bipolarplatten eingesetzt werden. Derartige Laserbearbeitungsvorrichtungen stellen eine Bearbeitungsleistung von mehr als 1 ,0 kW, insbesondere Leistungen zwischen 1 ,0 und 2,0 kW bereit, um die Bleche durch Schneiden zu bearbeiten. Insbesondere wird auf eine Leistung von ungefähr 1 ,5 kW +/- 200 W verwiesen. Mittels einer geeigne- ten Steuerung kann die Bearbeitungsleistung auf Werte zwischen 250 W und 600 W reduziert werden, um eine Bearbeitung in Form von Schweißen zu ermöglichen. Hier wird insbesondere auf Werte von Bearbeitungsleistun- gen in der Größenordnung von 400 W +/- 200 W verwiesen. Wenn optional auch ein Markieren von Blechen möglich sein soll, ist es bevorzugt, wenn die Bearbeitungsleistung auch auf Werte zwischen 50 W und 150 W ein- stellbar ist, insbesondere auf Werte von 80 W +/- 20 W.
Wenn eine Transportvorrichtung vorgesehen ist, um zu bearbeitende Bleche zu mindestens einer Scanvorrichtung und mindestens einer Laserbearbei- tungsvorrichtung hin zu fördern, dort durch Schneiden und/oder Schweißen zu bearbeiten und bearbeitete Bleche anschließend aus der Vorrichtung heraus zu fördern, kann der Automatisierungsgrad weiter erhöht und die Effizienz einer entsprechenden Vorrichtung weiter verbessert werden.
In einer weiteren praktischen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist als Mittel zum Halten mindestens ein Trägerelement vorge- sehen, in welches zu bearbeitende Bleche einlegbar sind, wobei das
Trägerelement derart ausgebildet ist, dass sowohl ein Beschneiden als auch ein Schweißen von einem oder mehreren in einem Trägerelement eingelegten Blechen ermöglicht ist.
In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn als Trä- gerelemente eine Vielzahl von Automatisierungsträger Vorgehen sind, die zum Zusammenwirken mit einer Träger-Handhabungsvorrichtung derart ausgebildet sind, dass ein Durchtakten von Blechen in den Automatisie- rungsträgern ermöglicht ist. Als Automatisierungsträger werden dabei insbesondere solche Trägerelemente bezeichnet, die nicht nur zum tempo- rären Anordnen von zu bearbeitenden Blechen für die Bearbeitung durch Schneiden, Schweißen und/oder Markieren eingesetzt werden, sondern die auch für Transportzwecke zum Fördern in eine erfindungsgemäße Vorrich- tung hinein und/oder zum Fördern aus einer solchen Vorrichtung heraus eingesetzt werden. Dabei sind die Automatisierungsträger vorzugsweise so gestaltet, dass ein Durchtakten durch das Verfahren der Automatisierungs- träger mittels eine linearen und/oder rotatorischen Bewegung ermöglicht ist. Von den Bewegungen umfasst sind insoweit auch Schwenkbewegungen sowie beliebige dreidimensionale Bewegungen mittels entsprechender Führungsvorrichtungen. Mit den genannten linearen Bewegungen sind auch reine Hubbewegungen umfasst, insbesondere eine kurze, temporäre
Hubbewegung nach oben oder nach unten, um einen oder mehrere Prozes- se (z.B. Schneiden und/oder Schweißen) in einer durch den Hub erzielten Taktstellung durchzuführen. Dabei kann der Automatisierungsträger an- schließend durch eine entsprechende Rückbewegung wieder in eine Förder- linie zurückbefördert werden (z.B. Anheben nach oben zum Takten und Absenken nach unten zum Weiterbefördern). Alternativ kann das Weiterbe- fördern auch in einer anderen Richtung als er Rückbewegung erfolgen.
Der Durchsatz durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich weiter erhöhen, wenn eine Verfahreinheit vorgesehen ist, die es ermöglicht, zu bearbeitende Bleche in einer Richtung quer zu einer Förderrichtung der Transportrichtung zu verfahren, um diese temporär aus einer durch die Transportvorrichtung vorgegebenen Förderlinie auszutakten und außerhalb der Förderlinie zu bearbeiten. Dies ermöglicht es, die Bearbeitung durch Schneiden, Schweißen und/oder Markieren von anderen Prozessen, insbe- sondere vor- oder nachgelagerten Prozessen zu entkoppeln. Dies kann insbesondere genutzt werden, um eine Taktrate für das Schneiden,
Schweißen und/oder Markieren zu erzielen, die geringer ist als die Bearbei- tungszeit in der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Wenn beispielsweise in einem vorgelagerten Prozess durch Hydroforming ein Blech mit einer Taktrate von 2 Sekunden zu einer Mikrostrukturplatte umgeformt wird, kann - auch wenn die Bearbeitungszeit in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 6 Sekunden betragen würde, durch das Vorsehen einer Transporteinheit und eine geeignete Installation von drei Bearbeitungsstationen mit erfin- dungsgemäßen Vorrichtungen eine Taktrate von 2 Sekunden für die Bear- beitung durch Schneiden, Schweißen und/oder Markieren realisiert werden. Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass bei erfindungsgemäßen Vorrich- tungen vorzugsweise Spannvorrichtungen als Haltemittel vorgesehen sind. In einer weiteren praktischen Ausführungsform ist die Verfahreinheit entwe- der als Mittel zum Halten in Form einer Spannvorrichtung ausgebildet, oder die Verfahreinheit ist mit einer Spannvorrichtung kombiniert. Dabei ermög- licht es die Spannvorrichtung durch geeignete Ausbildung und Anordnung relativ zu den übrigen Elementen der Vorrichtung, ein oder mehrere Bleche oder Trägerelemente mit einem oder mehreren eingelegten Blechen aus einer Transportebene in eine Bearbeitungsebene zu fördern und -ins- besondere durch Spannen - für eine anschließende Bearbeitung zu fixieren.
Besonders bevorzugt ist es, wenn eine erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgelegt ist, dass eine Transportebene 0 vorgesehen ist und die Bearbei- tung der Bleche in einer von der Transportebene 0 verschiedenen Bearbei- tungsebene 1 erfolgt, insbesondere derart, dass die Bleche während der Bearbeitung mittels Schweißen, Schneiden und/oder Markieren aus der Transportebene 0 ausgetaktet sind und anschließend optional wieder in diese Transportebene eingetaktet werden. Als besonders geeignet hat es sich erwiesen, wenn die Bleche mittels einer Spannvorrichtung von der Transportebene 0 in die Bearbeitungsebene 1 befördert werden und zur Fixierung in der Bearbeitungsebene 1 gegen eine Widerlagerebene 2 gespannt werden. Dazu können in der Widerlagerebene 2 Spannflächen, Spannmasken, Spannbrillen oder sonstige geeignete Spannelemente angeordnet sind. Weiter bevorzugt ist es, wenn die Widerlagerebene 2 auch Anschlüsse für die entsprechende Spannvorrichtung und/oder für optionale weitere Funktionen der Vorrichtung bereitstellt. Diesbezüglich wird insbe- sondere auf Gasanschlüsse, Sensoren, Druckquellen (Überdruck und/oder Unterdrück), hydraulische und/oder pneumatische Komponenten etc.
verwiesen.
Die Fixierung erfolgt dabei vorzugsweise derart, dass die Transportebene während der Bearbeitung zur Förderung von weiteren Blechen oder Trä- gerelementen mit einem oder mehreren eingesetzten Blechen zur Verfü- gung steht und genutzt werden kann. So kann eine einzelne Transportlinie Bauraum sparend mit zwei oder mehr sequentiell angeordneten und parallel nutzbaren Bearbeitungsstationen kombiniert werden. Selbstverständlich können zwei oder mehr Bearbeitungsstationen auch räumlich parallel angeordnet werden, wobei dann zusätzlich ein seitliches Verfahren der zu bearbeitenden Bleche erforderlich ist.
Wenn besonders kurze Taktraten realisiert werden sollen, sind bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mehrere Scanvorrichtungen und Laserbe- arbeitungsvorrichtungen vorgesehen, wobei jeweils mindestens eine Scan- vorrichtung und eine Laserbearbeitungsvorrichtung eine Bearbeitungsstati- on bilden und dementsprechend zwei oder mehr Bearbeitungsstationen vorgesehen sind.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen von laserge- schweißten Blechen mit einer wie vorstehend beschriebenen Vorrichtung. Gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren werden eine Vielzahl von Blechen mittels der Vorrichtung durchgetaktet, d.h. kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich bearbeitet.
Vorzugsweise wird bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zusätzlich mindestens einer der folgenden Verfahrensschritte durchgeführt, wobei auch gleichzeitig oder in beliebiger geeigneter Reihenfolge nacheinander mehrere dieser Verfahrensschritte durchgeführt werden können: a) Transportieren von zu bearbeitenden Bleche zu mindestens ei- ner Scanvorrichtung und mindestens einer Laserbearbeitungs- vorrichtung hin, Bearbeiten durch Schneiden, Schweißen und/oder Markieren, Herausfördern bearbeiteter Bleche aus der Vorrichtung, b) Einlegen von zu bearbeitenden Blechen in Trägerelemente und anschließendes Bearbeiten durch Schweißen, Schneiden und/oder Markieren in dem jeweiligen Trägerelement, c) Verfahren von zu bearbeitenden Blechen oder von Trägerele- menten mit einem oder mehreren eingelegten Blechen aus ei- ner Transportebene in eine Bearbeitungsebene, um eine Bear- beitung durch Schneiden und/oder Schweißen in einer von der Transportebene abweichenden Bearbeitungsebene durchzufüh- ren, d) Zuordnung und Verfahren von Automatisierungsträgern an un- terschiedliche Bearbeitungsstationen, um eine Taktrate beim Durchtakten zu erzielen, die geringer ist als die Bearbeitungs- zeit in der jeweiligen Bearbeitungsstation, e) Fixieren von einem Blech oder mehreren Blechen mittels einer Spannvorrichtung vor der Bearbeitung durch Schneiden, Schweißen und/oder Markieren und anschließende kontinuierli- che Bearbeitung mit mindestens zwei der Bearbeitungsverfah- ren Schneiden, Schweißen und Markieren in dem fixierten Zu- stand, f) Fixieren von einem Blech oder mehreren Blechen durch Ver- wendung einer Spannvorrichtung, g) Verwenden einer Spannvorrichtung zum Verfahren von zu be- arbeitenden Blechen oder von Trägerelementen mit einem oder mehreren eingelegten Blechen aus einer Transportebene in ei- ne von der Transportebene abweichende Bearbeitungsebene, h) Verwendung von optischen und/oder geometrischen Referenz- punkten auf zu bearbeitenden Blechen, um diese mittels einer Greifvorrichtung zu greifen und zu bewegen und/oder um die Relativposition eines Blechs relativ zu einem anderen Blech und/oder die Relativposition eines Blechs zu einem Trägerele- ment bzw. einem Automatisierungsträger zu überprüfen.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung einer wie vorstehend beschrie- benen Vorrichtung und/oder eines wie vorstehend beschriebenen Verfah- rens zur Bearbeitung mindestens einer Mikrostrukturplatte durch Schwei- ßen, Schneiden und/oder Markieren der mindestens einen Mikrostrukturplat- te. Dabei wird insbesondere auf Mikrostrukturplatten verwiesen, die für die Herstellung von Bipolarplatten, Wärmetauscherplatten, Reformerplatten oder Mikroreaktorplatten genutzt werden.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in der nachfolgend erläuterten schematischen Figur 1 dargestellt.
Bei der in Figur 1 schematisch dargestellten Vorrichtung 10 handelt es sich um eine Ausführungsform mit drei voneinander unabhängigen Bearbei- tungsstationen 12a, 12b, 12c. In diesen Bearbeitungsstationen 12a, 12b,
12c ist jeweils mindestens eine nicht dargestellte Scanvorrichtung und mindestens eine nicht dargestellte Laserbearbeitungsvorrichtung vorgese- hen, mit welchen die - ebenfalls nicht dargestellten, zu bearbeitenden Bleche gescannt und durch Laserbestrahlung bearbeitet werden können.
Für den Transport von zu bearbeitenden Blechen sind Automatisierungsträ- ger 14a, 14b, 14c, 14d vorgesehen. Ein oder mehrere, in den Automatisie- rungsträger jeweils eingesetzte Bleche (nicht gezeigt) werden in einer Förderrichtung gemäß dem Pfeil F in einer Transportebene T0 transportiert.
Ausgehend von der Transportebene T0 können die Automatisierungsträger 14a, 14b, 14c, 14d mittels einer nicht dargestellten Spannvorrichtung in Richtung der Doppelpfeile E1 , E2, E3 in eine Bearbeitungsebene B1 ange- hoben werden. In diesem Zustand werden die Bleche mit den Automatisie- rungsträgern gegen entsprechende - hier nur schematisch als ein Block dargestellte Widerlager 16 gespannt, die in einer Widerlagerebene W2 angeordnet sind. Die Anordnung der Bearbeitungsstationen 12a, 12b, 12c ist so realisiert, dass von den entsprechenden, nicht dargestellten Laserbearbeitungsvor- richtungen erzeugte Laserstrahlen ungehindert, vorzugsweise unter Ver- wendung von geeigneten Ablenkeinrichtungen (Spiegel) auf ein sich in der Bearbeitungsebene B1 befindliches Blech (oder mehrere solcher Bleche) gelenkt werden können, um eine präzise Bearbeitung durch Schneiden, Schweißen oder Markieren bewirken zu können. Wie in Fig. 1 erkennbar ist werden die Automatisierungsträger ausgetaktet, indem sie für die Bearbei- tung mittels der Bearbeitungsstationen 12a, 12b, 12c die Transportebene T0 verlassen. Nach der Bearbeitung werden die Automatisierungsträger mit den bearbeiteten Blechen in dieser Ausführungsform wieder eingetaktet und in der Transportebene T0 aus der Vorrichtung 10 herausgefördert. Das Ein- und Austakten hat den Vorteil, dass während der Bearbeitung in einer der Bearbeitungsstationen 12a, 12b, 12c die Transportebene T0 nutzbar bleibt, um andere Automatisierungsträger weiter zu transportieren.
So kann beispielsweise, wie in Figur 1 dargestellt, der Automatisierungsträ- ger 14b an dem Automatisierungsträger 14c in Förderrichtung F vorbei gefördert und gemäß dem Pfeil E1 zur Bearbeitungsstation 12a transportiert werden, während gleichzeitig der Automatisierungsträger 14d aus der Bearbeitungsebene B1 gemäß dem Pfeil E1 in die Transportebene T0 zurück und dann in der Transportebene T0 aus der Vorrichtung heraus transportiert wird. Gleichzeitig wird der Automatisierungsträger 14c in der Bearbeitungsstation 12b bearbeitet.
Die in der vorliegenden Beschreibung, in der Figur sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Sie kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Hersteilen von lasergeschweißten Blechen mit
mindestens einer Scanvorrichtung und mindestens einer Laserbear- beitungsvorrichtung zum Schneiden und/oder Schweißen von Ble- chen, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Halten, zum Schneiden und zum Schweißen zu bear- beitender Bleche derart ausgebildet und angeordnet sind, dass Schneiden und Schweißen ohne Zwischenschritt durchführbar ist.
2. Vorrichtung nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekenn- zeichnet, dass eine Transportvorrichtung vorgesehen ist, um zu bear- beitende Bleche zu mindestens einer Scanvorrichtung und mindes- tens einer Laserbearbeitungsvorrichtung hin zu fördern, dort durch Schneiden und/oder Schweißen zu bearbeiten und bearbeitete Bleche anschließend aus der Vorrichtung heraus zu fördern.
3. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass als Mittel zum Halten mindestens ein Trä- gerelement vorgesehen ist, in welches zu bearbeitende Bleche ein- legbar sind, wobei das Trägerelement derart ausgebildet ist, dass so- wohl ein Beschneiden als auch ein Schweißen der in diesen eingeleg- ten Blechen ermöglicht ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass als Trägerelemente eine Vielzahl von Automa- tisierungsträgern vorgehen sind, die zum Zusammenwirken mit einer Träger-Handhabungsvorrichtung derart ausgebildet sind, dass ein Durchtakten von Blechen in den Automatisierungsträgern ermöglicht ist.
5. Vorrichtung nach einem der drei vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verfahreinheit vorgesehen ist, die es er- möglicht, zu bearbeitende Bleche in einer Richtung quer zu einer För- derrichtung der Transportrichtung zu verfahren, um diese temporär aus einer durch die Transportvorrichtung vorgegebenen Förderlinie auszutakten und außerhalb der Förderlinie zu bearbeiten.
6. Vorrichtung nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Verfahreinheit als Mittel zum Halten in Form einer Spannvorrichtung ausgebildet oder dass die Verfahreinheit mit einer Spannvorrichtung kombiniert ist, die es ermöglicht, ein oder mehrere Bleche oder Trägerelemente mit einem oder mehreren eingelegten Blechen aus einer Transportebene in eine Bearbeitungsebene zu för- dern und (insbesondere durch Spannen) für eine anschließende Be- arbeitung zu fixieren.
7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass mehrere Scanvorrichtungen und Laserbearbei- tungsvorrichtungen vorgesehen sind, wobei jeweils mindestens eine Scanvorrichtung und eine Laserbearbeitungsvorrichtung eine Bearbei- tungsstation bilden.
8. Verfahren zum Herstellen von lasergeschweißten Blechen mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Blechen mittels der Vorrichtung durchgetaktet wird.
9. Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeich- net, dass zusätzlich mindestens einer der folgenden Verfahrensschrit- te durchgeführt wird: - Transportieren von zu bearbeitenden Blechen zu mindestens einer Scanvorrichtung und mindestens einer Laserbearbei- tungsvorrichtung hin, Bearbeiten durch Schneiden, Schweißen und/oder Markieren, Herausfördern bearbeiteter Bleche aus der Vorrichtung,
10. Verfahren nach einem der beiden vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich mindestens einer der folgenden Ver- fahrensschritte durchgeführt wird:
- Einlegen von zu bearbeitenden Blechen in Trägerelemente und anschließendes Bearbeiten durch Schweißen, Schneiden und/oder Markieren in dem jeweiligen Trägerelement.
11. Verfahren nach einem der drei vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich mindestens einer der folgenden Ver- fahrensschritte durchgeführt wird:
- Verfahren von zu bearbeitenden Blechen oder von Trägerele- menten mit einem oder mehreren eingelegten Blechen aus ei- ner Transportebene in eine Bearbeitungsebene, um eine Bear- beitung durch Schneiden und/oder Schweißen in einer von der Transportebene abweichenden Bearbeitungsebene durchzufüh- ren.
12. Verfahren nach einem der vier vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich mindestens einer der folgenden Ver- fahrensschritte durchgeführt wird:
- Zuordnung und Verfahren von Automatisierungsträgern an un- terschiedliche Bearbeitungsstationen, um eine Taktrate beim Durchtakten zu erzielen, die geringer ist als die Bearbeitungs- zeit in der jeweiligen Bearbeitungsstation.
13. Verfahren nach einem der fünf vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich mindestens einer der folgenden Ver- fahrensschritte durchgeführt wird: - Fixieren von einem Blech oder mehreren Blechen mittels einer Spannvorrichtung vor der Bearbeitung durch Schneiden, Schweißen und/oder Markieren und anschließende kontinuierli- che Bearbeitung mit mindestens zwei der Bearbeitungsverfah- ren Schneiden, Schweißen und Markieren in dem fixierten Zu- stand, - Fixieren von einem Blech oder mehreren Blechen durch Ver- wendung einer Spannvorrichtung.,
14. Verfahren nach einem der sechs vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich mindestens einer der folgenden Ver- fahrensschritte durchgeführt wird:
- Verwenden einer Spannvorrichtung zum Verfahren von zu be- arbeitenden Blechen oder von Trägerelementen mit einem oder mehreren eingelegten Blechen von einer Transportebene in ei- ne von der Transportebene abweichende Bearbeitungsebene,
- Verwendung von optischen und/oder geometrischen Referenz- punkten auf zu bearbeitenden Blechen, um diese mittels einer Greifvorrichtung zu greifen und zu bewegen und/oder um die Relativposition eines Blechs relativ zu einem anderen Blech und/oder die Relativposition eines Blechs zu einem Trägerele- ment zu überprüfen.
15. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und/oder eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 8 bis 14 zur Bearbeitung mindestens einer Mikrostrukturplatte durch Schweißen, Schneiden und/oder Markieren der mindestens einen Mikrostruktur- platte.
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