WO2025119424A1

WO2025119424A1 - Vorrichtung und verfahren zur additiven herstellung von multimaterialkomponenten, insbesondere elektrochemischer zellen, auf in einen gemeinsamen maschinentisch integrierten plattformen

Info

Publication number: WO2025119424A1
Application number: PCT/DE2024/100990
Authority: WO
Inventors: Florian Doerrfuss; Tomas Smetana
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2023-12-06
Filing date: 2024-11-22
Publication date: 2025-06-12
Anticipated expiration: 2026-06-06
Also published as: CN122249298A

Abstract

Ein Verfahren zur additiven Herstellung von Komponenten, insbesondere elektrochemischer Zellen, sieht vor, dass mittels einer 3D-Druckvorrichtung (9) Bauteile (4) auf voneinander getrennten, in einen gemeinsamen Maschinentisch (2) integrierten Plattformen (3), welche simultan gegenüber einer Arbeitsoberfläche (18) des Maschinentischs (2) sukzessive höhenverstellt werden, schichtweise im Multimaterial-3D-Druck aus einem pulverförmigen Material aufgebaut werden. Weiterhin ist eine Vorrichtung (1) zur additiven Herstellung von Komponenten (4, 5, 6), insbesondere solcher von elektrochemischen Zellen (16), insbesondere zur Durchführung des genannten Verfahrens, angegeben.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR ADDITIVEN HERSTELLUNG VON

MULTIMATERIALKOMPONENTEN, INSBESONDERE

ELEKTROCHEMISCHER ZELLEN, AUF IN EINEN GEMEINSAMEN MASCHINENTISCH INTEGRIERTEN PLATTFORMEN

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung von Komponenten, insbesondere elektrochemischer Zellen. Ferner betrifft die Erfindung eine zur Durchführung eines solchen Verfahrens geeignete Vorrichtung.

Eine Anlage zur generativen Fertigung eines Bauteils ist beispielsweise aus der

DE 10 2019 201 494 A1 bekannt. Die bekannte Anlage verwendet zur Bauteilfertigung verschiedene Materialpulver, welche sich hinsichtlich ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften und/oder Zusammensetzungen voneinander unterscheiden können. Flächig aufgetragenes Materialpulver kann eine Bauteilplattform komplett oder teilweise ausfüllen. Ein selektives Bestrahlen der Pulverschicht kann nach der Lehre der DE 10 2019 201 494 A1 mit einem Laser-, Ionen- oder Elektronenstrahl erfolgen, wobei ein Bestrahlungsabschnitt von einem Auftragungsabschnitt beabstandet ist.

Eine in der DE 10 2017 208 132 A1 beschriebene Vorrichtung zur additiven Herstellung dreidimensionaler Bauteile umfasst mehrere oberhalb einer Bauplattform angeordnete Apparaturen, welche jeweils mindestens drei Arme aufweisen, die mit einem Bearbeitungskopf gelenkig verbunden sind, wobei die Arme längenverstellbar sind. Durch mindestens einen Arm verläuft eine Zuführung für eine zum Drucken geeignete Suspension oder Flüssigkeit. Die einzelnen Apparaturen der Vorrichtung nach der DE 10 2017 208 132 A1 sind derart angeordnet und angesteuert, dass mehrere Apparaturen gleichzeitig für die Herstellung eines oder mehrerer Bauteile nutzbar sind.

Die DE 10 2016 204 462 A1 hat ein Verfahren zum additiven Herstellen eines Bauteils sowie eine Trägerplatte zum Tragen von additiv zu fertigenden Bauteilen zum Gegenstand. Hierbei ist vorgesehen, zunächst ein Roh-Bauteil auf einer Trägerplatte additiv zu fertigen. Anschließend wird zumindest ein Abschnitt der Trägerplatte in einer Bearbeitungsmaschine gespannt. Weiter ist nach der DE 10 2016 204 462 A1 vorgesehen, am Roh-Bauteil mit der Bearbeitungsmaschine einen trennenden Bearbeitungsschritt durchzuführen.

Die DE 10 2015 105 568 A1 befasst sich mit der additiven Fertigung für Brennstoffzellenströmungsfelder. Hierbei wird ein Strömungsfeldkanal unter anderem durch additives Bilden von Kanalwänden an einem Plattenkörper hergestellt. Bei dem Plattenkörper kann es sich beispielsweise um eine Gasdiffusionsschicht handeln.

Eine in der EP 4113672 A1 offenbarte Bipolarplatte soll vollständig durch additive Verfahren herstellbar sein. Im Zuge der additiven Herstellung ist ein sukzessives Hinzufügen von gefüllter Kunststoffmatrix, gefüllter Elektrodenmatrix oder ungefüllter Kunststoffmatrix vorgesehen, wobei durch die ungefüllte Kunststoffmatrix ein Abdichtrand ausgebildet wird. Dagegen sollen Protonenaustauschmembranen und Gasdiffusionsschichten als zuvor separat gefertigte Elemente verwendet werden.

In der CN 111463449 A sind Schritte zur Herstellung eines Metallpulvers dargelegt, welches zur Herstellung von Bipolarplatten vorgesehen ist. Danach wird Metall über eine Dauer von mehreren Stunden bei einer Temperatur von 50°C bis 500°C durch Schleifen bearbeitet.

Die Dokumente US 11 ,260,586 B2 und DE 10 2017 120 750 B4 beschreiben verschiedene Vorrichtungen und Verfahren zur Herstellung von Bauteilen mittels 3D-Mul- timaterialdruck. Weiter wird zum Thema Multimaterial 3D-Druck auf die Dokumente WO 2019/185626 A1 , WO 2018/059833 A1 und WO 2019/185466 A1 hingewiesen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, additive Fertigungsverfahren, welche zur Herstellung von Komponenten, insbesondere zur Herstellung von Komponenten elektrochemischer Zellen, beispielsweise Brennstoffzellen, Redoxflusszellen, Batteriezellen oder Elektrolysezellen, nutzbar sind, gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterzuentwickeln, wobei ein besonders hohes Maß an Flexibilität der Fertigung bei nicht zu komplexer Handhabbarkeit angestrebt wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein nach Anspruch 1 gestaltetes Verfahren zur additiven Herstellung von Komponenten, insbesondere elektrochemischer Zellen. Zur Durchführung dieses Verfahrens ist eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 geeignet. Im Folgenden im Zusammenhang mit der anmeldungsgemäßen Vorrichtung erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für das Herstellungsverfahren und umgekehrt.

Die mittels des Verfahrens bevorzugt hergestellten Komponenten elektrochemischer Zellen sind insbesondere solche von Brennstoffzellen, vorzugsweise Polymerelektrolytbrennstoffzellen, oder von Elektrolyseuren, vorzugsweise mit Polymerelektrolytmembrane und/oder zur Elektrolyse von Wasser, oder von Redoxflusszellen oder Batteriezellen.

Das Herstellungsverfahren sieht vor, mittels einer 3D-Druckvorrichtung, welche pulverförmiges Material als Ausgangsmaterial für den 3D-Druck, das heißt die generative Fertigung, verwendet, Bauteile auf voneinander getrennten, in einen gemeinsamen Maschinentisch integrierten Plattformen schichtweise mittels Multimaterial-3D-Druck aufzubauen. Unter Multimaterial-3D-Druck wird hierbei ein 3D-Druckverfahren mit mindestens zwei verschiedenen Materialien, welche für den Schichtaufbau herangezogen werden, verstanden. Eine theoretische Begrenzung der verschiedenen 3D- Druckmaterialien nach oben existiert nicht. So kann die additive Fertigung beispielsweise mit drei, vier oder mehr verschiedenen 3D-Druckmaterialien durchgeführt werden. Hierbei kann es sich zum Beispiel um Kunststoffe oder Materialien auf keramischer oder metallischer Basis handeln. In jedem Fall werden im Zuge des 3D-Drucks die Plattformen Schritt für Schritt, das heißt sukzessive, simultan gegenüber einer Arbeitsoberfläche des Maschinentischs höhenverstellt. Dies heißt, dass die Plattformen in jedem Schritt auf eine einheitliche Höhe eingestellt sind. Während des Aufbaus der Bauteile aus einzelnen Schichten werden Räume zwischen den einzelnen Plattformen von pulverförmigem Material, das heißt 3D-Druck-Material, freigehalten.

Unabhängig von der Anzahl verschiedener 3D-Druckmaterialien umfasst mindestens eine der generativ erzeugten Schichten mehrere dieser Materialien. Andere Schichten können dagegen materialeinheitlich aufgebaut sein. In jedem Fall schließt zumindest eine Teilmenge der Schichten Volumenbereiche mehrerer, auf verschiedenen Plattformen entstehender Werkstücke ein. Gleichzeitig bleiben Volumenbereiche, welche sich zwischen den Plattformen sowie den Werkstücken befinden, während des gesamten Herstellungsprozesses frei. Dies ermöglicht zum einen eine im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren schnellere Herstellung und bietet zum anderen aufgrund der Charakteristik als Multi-Material-Urformung enorme Variationsmöglichkeiten in der Fertigung.

Gemäß verschiedener möglicher Verfahrensvananten werden die Plattformen im Zuge des Aufbaus der Bauteile unter die Arbeitsoberfläche abgesenkt. Hierbei ist es möglich, jede neue Schicht eines Bauteils unmittelbar oberhalb der Arbeitsoberfläche des Maschinentischs aufzubauen. Nach Abschluss der Formung der Bauteile, das heißt nach maximaler Absenkung der Plattformen, können die Bauteile mittels einer Hubvorrichtung, an welche die Plattformen angeschlossen sind, angehoben werden. Die Oberflächen der maximal angehobenen Plattformen liegen dann insbesondere mit der Arbeitsoberfläche des Maschinentischs in einer gemeinsamen Ebene. Sämtliche Plattformen können mechanisch mit einem vertikal verstellbaren Element der Hubvorrichtung verbunden sein. Alternativ kann beispielsweise eine hydraulische Verstellung der Plattformen oder eine elektronisch synchronisierte Verstellung der Plattformen per einzelner elektromechanischer Antriebe vorgesehen sein.

Als pulverförmige 3D-Druck-Materialien können unter anderem Materialreste, welche im Zuge der Fertigung der 3D-Druckteile nicht verfestigt werden, wiederverwendet werden. Dies gilt insbesondere für 3D-Druck-Material, welches sich in verschiedenen Fertigungsstadien neben einem teilfertigen Bauteil auf einer Plattform befinden kann. Auf einer einzelnen Plattform kann entweder ein einziges Werkstück oder eine Mehrzahl an nicht notwendigerweise gleichen Werkstücken schichtweise aufgebaut werden. Um überschüssiges pulverförmiges 3D-Druckmterial zu minimieren, kann ein Füllpulver eingesetzt werden, welches nach dem Entpulvern auf einfache Weise aufbereitet und wieder eingesetzt werden kann. Ein solches Pulver kann sowohl in Zwischenräume, welche zwischen auf ein und derselben Plattform entstehenden Werkstücken gebildet sind, als auch in die Freiräume, welche zwischen den einzelnen Plattformen, gegeben sind, gefüllt werden. Das Aufbereiten von pulverförmigem Material wird im einfachsten Fall als Siebprozess durchgeführt, mit dem größere, insbesondere durch Verschweißung entstandene Partikel aus dem Pulver entfernt werden.

Die einzelnen Plattformen haben zum Beispiel jeweils eine rechteckige Form, wobei nicht notwendigerweise sämtliche Plattformen identisch geformt sind. In Abhängigkeit von der Geometrie der herzustellenden Werkstücke können zum Beispiel in der Draufsicht gekrümmte Konturen von Plattformen vorgesehen sein. Im Einzelfall können auch hexagonale oder sonstige Grundrisse der Plattformen eine Anpassung an die Werkstückgeometrie bei zugleich guter Flächenausnutzung bedeuten. Eine - optional werkzeuglose - Austauschbarkeit von Plattformen kann vorgesehen sein.

Gemäß einer möglichen Verfahrensvariante wird, unabhängig vom Grundriss der Plattformen, eine Schicht eines ersten Bauteils auf einer ersten Plattform materialeinheitlich aufgebaut, während dieselbe Schicht eines zweiten Bauteils auf einer zweiten Plattform ebenfalls in sich materialeinheitlich, jedoch mit einem vom ersten Bauteil verschiedenen Material aufgebaut wird. Alternativ ist es möglich, mindestens eine Schicht ein und desselben Bauteils materialuneinheitlich, das heißt im Multimaterial- 3D-Druck, aufzubauen. In einem solchen Fall werden beispielsweise auf den einzelnen Plattformen gleichartige Bauteile jeweils im Multimaterial-3D-Druck aufgebaut. Ebenso ist die Möglichkeit gegeben, auf den Plattformen verschiedenartige Bauteile simultan aufzubauen.

Bei den per Multimaterial-3D-Druck generativ zu fertigenden Bauteilen handelt es sich zum Beispiel um Komponenten von elektrochemischen Zellen, wie Brennstoffzellen oder Elektrolyseuren. Derartige Komponenten können insbesondere Elektrodenplatten, Separatorplatten, Bipolarplatten, welche mit durchströmbaren Kühlkanälen gebildet werden können, sowie offen-poröse Gasdiffusionslagen (GDL) beziehungsweise offen-poröse Transportschichten (PTL) und dergleichen umfassen. Die später im Betrieb befindliche, additiv gefertigte Teile umfassende Zelle weist beispielsweise im Fall einer Brennstoffzelle oder Elektrolysezelle bevorzugt kathodenseitige und anodenseitige Gasdiffusionslagen beziehungsweise poröse Transportlagen auf, welche entweder gleichartig aufgebaut sein oder sich voneinander unterscheiden können.

Das generative Fertigungsverfahren ist derart durchführbar, dass in einem gemeinsamen Verfahrensschritt entweder einheitliche Gasdiffusionslagen / poröse Transportlagen oder sich voneinander unterscheidende kathodenseitige und anodenseitige poröse Gasdiffusionslagen / poröse Transportlagen erzeugt werden. In jedem Fall können die Gasdiffusionslagen / porösen Transportlagen zusammen mit mindestens einer Bipolarplatte, Elektrodenplatte, Separatorplatte oder Teilen davon als einstückiges Bauteil erzeugt werden. Die Zusammensetzung der Bipolarplatte, Elektrodenplatte oder Separatorplatte weicht dabei häufig von der Zusammensetzung der mit der Platte verbundenen, demselben einteiigen 3D-Multimaterialdruck-Bauteil zuzurechnenden porösen Gasdiffusionslage / porösen Transportschicht ab.

Allgemein kann der Multimaterial-3D-Druck die generative Fertigung von Materialien mit unterschiedlichem Metallgehalt kombinieren. Beispielsweise handelt es sich bei einem der Materialien um ein, abgesehen von technisch bedingten Verunreinigungen, reines Metall handelt, wogegen ein weiteres, im selben Fertigungsprozess zu verarbeitendes Material einen geringeren oder keinen Metallgehalt aufweist. Es ist die Möglichkeit gegeben, die verschiedenen Materialien derart in Pulverform auf die Plattformen aufzubringen, dass zu keinem Zeitpunkt der Fertigung eine Schicht lückenlos über den gesamten Arbeitsbereich des Maschinentisches mit diesen Materialien ausgefüllt wird. Die verbleibenden Bereiche der Schicht können entweder frei bleiben oder mit dem bereits erwähnten Füllpulver ausgefüllt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur additiven Herstellung von Komponenten, insbesondere elektrochemischer Zellen, und insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, umfasst mehrere in einen gemeinsamen Maschinentisch eingebaute, voneinander getrennte, gemeinsam höhenverstellbare, unter eine Arbeitsoberfläche des Maschinentischs absenkbare Plattformen, sowie mindestens einen Druckkopf, welcher zur schichtweisen simultanen Herstellung von jeweils einer Plattform zugeordneten Komponenten im Multimaterial-3D-Druck ausgebildet ist. Eine zur Absenkung und zum Anheben der Plattformen vorgesehene Hubvorrichtung kann dazu ausgebildet sein, die simultan hergestellten Komponenten soweit abzusenken, dass sie sich - zumindest mit Ausnahme der obersten Schicht - unterhalb der Arbeitsoberfläche des Maschinentischs befinden.

Die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bevorzugt herstellbaren Komponenten elektrochemischer Zellen sind insbesondere solche von Brennstoffzellen, vorzugsweise Polymerelektrolytbrennstoffzellen, oder Elektrolyseuren, vorzugsweise zur Elektrolyse von Wasser, oder Redox-Flow-Zellen. Optional ist die Vorrichtung - unabhängig von der Art der Werkstücke - zur gleichzeitigen Verarbeitung von 3D-Druck- materialien mit unterschiedlichem Metallgehalt ausgebildet. Die Verfestigung des verwendeten 3D-Druckmaterials kann insbesondere in an sich bekannter Weise per Laser erfolgen.

Eine mögliche Bauform sieht vor, dass ein und derselbe Druckkopf zum schichtweise Materialaufbau auf sämtlichen Plattformen ausgebildet ist. Auch eine höhere Anzahl an Druckköpfen ist möglich. Ebenso kann eine Mehrzahl an Laser-Bearbeitungsköp- fen, beispielsweise zwei, drei vier oder sogar über zehn Stück, vorhanden sein. In allen Fällen können bewegliche Teile der zum Multimaterial-3D-Druck genutzten Vorrichtung mit Hilfe an sich bekannter Mechanismen, beispielsweise Gewindetrieben in Form von Kugelgewindetrieben, verstellbar sein. Auch ein linearer elektrischer Direktantrieb von Komponenten, beispielsweise Bearbeitungsköpfen, ist möglich. Ergänzend kann die Multimaterial-3D-Druckvorrichtung Überwachungseinrichtungen, beispielsweise in Form optischer Systeme oder eines Systems, mit welchem elektrische Eigenschaften von Werkstücken bereits während der additiven Fertigung oder unmittelbar nach Abschluss der Fertigung detektierbar sind, umfassen.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen, teilweise schematisiert: Fig. 1 Eine Draufsicht auf Einzelteile einer Vorrichtung zur Herstellung von Komponenten einschließlich mehrerer in einem additiven Fertigungsprozess befindlicher Werkstücke,

Fig. 2 in einer schematischen Schnittdarstellung einen Stapel elektrochemischer Zellen, einschließlich mehrerer mit Hilfe der Vorrichtung nach Fig. 1 gefertigter Komponenten,

Fig. 3 die Vorrichtung nach Fig. 1 in einer schematischen Seitenansicht,

Fig. 4 in einer schematischen Schnittdarstellung ausschnittsweise eine mit der Vorrichtung nach Fig. 1 additiv hergestellte Komponente, welche als Multimatenalbauteil ausgebildet ist,

Fig. 5 - 9 die Vorrichtung nach Fig. 1 mit mehreren in der additiven Fertigung befindlichen Bauteilen in verschiedenen Fertigungsstadien,

Fig. 10 die Vorrichtung nach Fig. 1 mit den in den Schritten nach den Figuren 5 bis 9 hergestellten Bauteilen.

Eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Vorrichtung zur additiven Herstellung von Komponenten, hier Komponenten elektrochemischer Zellen, das heißt eine Produktionsanlage, ist als Multimaterial-3D-Druckanlage ausgebildet und umfasst einen Maschinentisch 2, auf welchem sich auf gleicher Höhe mehrere Plattformen 3 befinden, die im vorliegenden Fall in der Draufsicht jeweils streifenförmig sind. Die mit der Produktionsanlage 1 hergestellten Bauteile 4, auf welche noch näher eingegangen werden wird, finden Verwendung in einem insgesamt mit 15 bezeichneten Zellenstapel aus elektrochemischen Zellen 16, welcher kurz auch als Stack bezeichnet wird.

Der Zellenstapel 15 umfasst eine Mehrzahl an elektrochemischen Zellen 16, beispielsweise Brennstoffzellen oder Elektrolysezellen, welche sich zwischen zwei Endplatten 8 befinden. Zwischen zwei Zellen 16 befindet sich hier jeweils eine Bipolarplatte 5, die hälftig den beiden angrenzenden Halbzellen 17 zuzuordnen ist. Jede Zelle 16 ist aus zwei Halbzellen 17 aufgebaut, welche durch eine protonendurchlässige Membran 7 voneinander getrennt sind. Die Bipolarplatte 5 grenzt eine Halbzelle 17 einer ersten elektrochemischen Zelle 16 von einer Halbzelle 17 einer weiteren elektrochemischen Zelle 16 ab. In den Räumen zwischen den Membranen 7 und der Bipolarplatte 5 befindet sich bei Brennstoffzellen jeweils mindestens eine sogenannte poröse Gasdiffusionslage 6 oder bei Elektrolyseuren mindestens eine sogenannte poröse Transportschicht 6. Die Gasdiffusionslage(n) / poröse Transportlage(n) 6 bildet / bilden zusammen mit der Bipolarplatte 5 das Bauteil 4, das heißt Werkstück, welches in der Produktionsanlage 1 generativ gefertigt wird.

Was den Aufbau der Produktionsanlage 1 betrifft, wird weiter auf die Fig. 3 verwiesen. Danach wird zur generativen Fertigung des Werkstücks 4, das heißt Multimatenalbauteils, eine 3D-Druckvorrichtung 9 verwendet, welche die Kernkomponenten der Produktionsanlage 1 darstellt.

Ein mit 10 bezeichneter Druckkopf der Drückvorrichtung 9 ermöglich das wahlweise Drucken mit zwei verschiedenen, einen unterschiedlichen Metallgehalt aufweisenden Materialien. Zu diesem Zweck existieren in dem in Fig. 3 skizzierten Fall innerhalb des Druckkopfes 10 zwei Teilvolumina 11 , 12, welche jeweils mit einem Vorratsbehälter 13, 14 für die verschiedenen Materialien verbunden sind. Abweichend hiervon könnte auch für jedes Material ein gesonderter Druckkopf 10 vorhanden sein.

Der Druckkopf 10 ist mit Hilfe verschiedener, an sich bekannter Mechanismen, zum Beispiel in Form von Kugelgewindetrieben, mehrachsig verfahrbar. Das pulverförmige Material, welches in den Vorratsbehältern 13, 14 gespeichert ist, kann mittels des Druckkopfes 10 präzise auf den einzelnen Plattformen 3 platziert werden. Im Unterschied zu gängigen Verfahren, bei welchen komplette Schichten einer 3D-Druckan- lage mit pulverförmigem Material gefüllt werden, bietet der Druckkopf 10 die Möglichkeit, auf ein und derselben Plattform 3 unterschiedliche Materialien auf definierten Flächenbereichen abzulegen. Flächenbereiche der Plattform 3, auf welchen keine Schicht des Werkstücks 4 aufzubauen ist, können entweder frei von 3D-Druckmaterial bleiben oder mit einem Füllpulver befüllt werden. In keinem Fall braucht 3D-Druckma- terial zwischen die einzelnen Plattformen 3 abgelegt zu werden. Vielmehr können auch diese Bereiche entweder frei von jeglichem Material bleiben oder mit einem auf einfache Weise wiederverwendbaren Füllpulver befüllt werden. Der schichtförmige Aufbau des Werkstücks 4 ist in Fig. 4 veranschaulicht. Hierbei ist eine erste Schicht S1 komplett durch ein erstes Material gebildet, wogegen die darüberliegende Schicht S2, wie aus Fig. 4 hervorgeht, teilweise durch das erste Material und teilweise durch ein zweites Material gebildet ist. Bei dem ersten Material handelt es sich im vorliegenden Fall durch Material der Bipolarplatte 5, beim zweiten Material um Material der Gasdiffusionslage / porösen Transportlage 6. Die Materialien der verschiedenen Komponenten 5, 6 des Bauteils 4 unterschieden sich unter anderem hinsichtlich ihres Metallgehaltes.

In der Anordnung nach Fig. 4 befindet sich die Gasdiffusionslage / poröse Transportlage 6 oberhalb der Bipolarplatte 5. Diese Anordnung ist mit einer weiteren, spiegelbildlich hierzu ausgebildeten Anordnung kombinierbar, wobei die Spiegelebene horizontal, das heißt orthogonal zur Bildebene, ausgereichtet ist. Innerhalb des fertiggestellten Stacks 15 ist eine der genannten Anordnungen kathodenseitig und die andere Anordnung anodenseitig geschaltet. Beispielsweise befindet sich die kathodenseitige Gasdiffusionslage / poröse Transportlage 6 oberhalb der in Fig. 2 eingezeichneten Bipolarplatte 5, während sich die anodenseitige Gasdiffusionslage / poröse Transportlage 6 unterhalb derselben Bipolarplatte 5 befindet. Beide Gasdiffusionslagen / porösen Transportlagen 6 werden zusammen mit den zugehörigen Bereichen der Bipolarplatte 5 im selben Arbeitsgang auf verschiedenen Plattformen 3 der Produktionsanlage 1 aufgebaut, wobei bereits während des generativen Fertigungsprozesses die Unterschiede zwischen den beiden Gasdiffusionslagen / porösen Transportlagen 6 herausgebildet werden. Sofern Eigenschaften des Werkstücks 4, beispielsweise elektrische Eigenschaften oder Eigenschaften, welche die Mediendurchlässigkeit betreffen, zu prüfen sind, können entsprechende Prüfungen an dem noch auf der Plattform 3 befindlichen Bauteil 4, an dem aus der Produktionsanlage 1 entnommenen, einzeln vorliegenden Bauteil 4 oder an dem in den Stack 15 eingesetzten Bauteil 4 durchgeführt werden. In entsprechender Weise kann vorgegangen werden, wenn es sich bei dem Stack 2 um einen Stapel sonstiger elektrochemischer Zellen 16, beispielsweise Batteriezellen oder Redoxflusszellen handelt. Die Figuren 5 bis 10 veranschaulichen einzelne Schritte zur generativen Herstellung der Bauteile 4. Die Oberseite des Maschinentisches 2 stellt eine Arbeitsoberfläche 18 dar. Wie aus den Figuren 5 bis 10 hervorgeht, sind die Plattformen 3 derart positionierbar, dass deren oben liegende Oberflächen mit der Arbeitsoberfläche 18 in einer gemeinsamen Ebene liegen. Von dieser Ebene aus sind die Plattformen 3 absenkbar, wobei jede Plattform 3 in einer Ausnehmung 21 des Maschinentischs 2 aufgenommen ist. Hierfür ist eine insgesamt mit 18 bezeichnete Hubvorrichtung vorgesehen, die im vorliegenden Fall mit sämtlichen Plattformen 3 mechanisch verbunden ist.

In der Anordnung nach Fig. 5 sind die einzelnen Bauteile 4 jeweils teilweise fertiggestellt, wobei die Plattformen 3, welche in jedem Fertigungsstadium mittels der Hubvorrichtung 18 höhengleich eingestellt sind, soweit abgesenkt sind, dass die Oberseiten der Bauteile 4 in der Ebene der Arbeitsoberfläche 18 angeordnet sind. Neben jedem Bauteil 4 ist nicht verfestigtes Pulver 22, das heißt 3D-Druckmaterial, erkennbar, welches sich auf derselben Plattform 3 befindet. Die mit ZR bezeichneten Zwischenräume zwischen den Plattformen 3 sind dagegen frei von 3D-Druckmaterial.

In dem in Fig. 6 visualisierten Schritt wird Pulver 22 auf die Plattformen 3 und damit auch auf die Bauteile 4 abgelegt, wobei auch in diesem Schritt die Räume ZR frei von Pulver 22 bleiben. Das Pulver 22, welches über die Arbeitsoberfläche 18 hinausragt, wird im Schritt nach Fig. 7, soweit zum Aufbau der Bauteile 4 erforderlich, durch Laserstrahlung LS, welches mit einem Laser 20 erzeugt wird, verfestigt.

Die Fig. 8 zeigt die Bauteile 4, nachdem sie im Schritt nach Fig. 7 um eine weitere Schicht S1 , S2 gewachsen sind. Die Bauteile 4 ragen nun über die Arbeitsoberfläche 18 hinaus, wobei sie nach wie vor jeweils von nicht verfestigtem Pulver 22 umgeben sind. In diesem Zustand werden die Bauteile 4, wie aus Fig. 9 hervorgeht, soweit abgesenkt, bis ihre Oberfläche wieder auf dem Niveau der Arbeitsoberfläche 18 liegt.

Die Schritte nach den Figuren 5 bis 9 werden wiederholt, bis die additive Fertigung der Bauteile 4 abgeschlossen ist. Im Anschluss werden, wie die Fig. 10 zeigt, sämtliche Plattformen 3 soweit angehoben, dass die Oberkanten der Plattformen 3 bündig mit der Arbeitsoberfläche 18 abschließen und die Bauteile 4 vom Maschinentisch 2 entnommen werden können. Nach der Entpulverung werden die Bauteile 4 manuell oder automatisch aus der Produktionsanlage entnommen, wobei sich optional an die additive Fertigung der als Multimaterial-3D-Druckteile ausgebildeten Bauteile 4 eine me- chanische und/oder chemische Nachbearbeitung anschließt.

Bezuqszeichenliste

1 Produktionsanlage, Vorrichtung zur additiven Herstellung von

Komponenten

2 Maschinentisch

3 Plattform

4 Bauteil, Werkstück

5 Bipolarplatte

6 Offen-poröse Gasdiffusionslage / offen-poröse Transportschicht

7 Membran

8 Endplatte

9 Druckvorrichtung

10 Druckkopf

11 Teilvolumen

12 Teilvolumen

13 Vorratsbehälter

14 Vorratsbehälter

15 Zellenstapel, Stack

16 Elektrochemische Zelle

17 Halbzelle

18 Arbeitsoberfläche

19 Hubvorrichtung

20 Laser

21 Ausnehmung

22 Pulver, 3D-Druckmaterial

LS Laserstrahlung

S1 , S2 Schichten

ZR Raum zwischen zwei Plattformen

Claims

Patentansprüche

1 . Verfahren zur additiven Herstellung von Komponenten, insbesondere elektrochemischer Zellen, wobei aus pulverförmigem Material mittels einer 3D-Druck- vorrichtung (9) Bauteile (4) auf voneinander getrennten, in einen gemeinsamen Maschinentisch (2) integrierten Plattformen (3), welche simultan gegenüber einer Arbeitsoberfläche (18) des Maschinentischs (2) sukzessive höhenverstellt werden, schichtweise unter Freihaltung zwischen den Plattformen (3) befindlicher Räume (ZR) von pulverförmigem Material im Multimaterial-3D-Druck aufgebaut werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Plattformen (3) im Zuge des Aufbaus der Bauteile (4) unter die Arbeitsoberfläche (18) abgesenkt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufbau jeder neuen Schicht (S1 , S2) eines Bauteils (4) unmittelbar oberhalb der Arbeitsoberfläche (18) erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abschluss der Formung der Bauteile (4), das heißt nach maximaler Absenkung der Plattformen (3), die Bauteile (4) mittels einer Hubvorrichtung (19), an welche die Plattformen (3) angeschlossen sind, angehoben werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schicht (S1 , S2) eines ersten Bauteils (4) auf einer ersten Plattform (3) matenaleinheitlich aufgebaut wird, während dieselbe Schicht (S1 , S2) eines zweiten Bauteils (4) auf einer zweiten Plattform (3) ebenfalls in sich matenaleinheitlich, jedoch mit einem vom ersten Bauteil (4) verschiedenen Material aufgebaut wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Schicht (S1 , S2) ein und desselben Bauteils (4) materialuneinheitlich aus Materialien mit unterschiedlichem Metallgehalt aufgebaut wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Bauteilen (4) um Komponenten von elektrochemischen Zellen (16), insbesondere von Brennstoffzellen oder Elektrolyseuren, handelt, wobei in einem gemeinsamen Verfahrensschritt, bei einheitlicher Höheneinstellung der Plattformen (3) neben Bipolarplatten (5) sich voneinander unterscheidende ka- thodenseitige und anodenseitige offen-poröse Gasdiffusionslagen (6) oder offen-poröse Transportlagen (6) auf den Plattformen (3) erzeugt werden.

8. Vorrichtung (1 ) zur additiven Herstellung von Komponenten (4, 5, 6), insbesondere elektrochemischer Zellen (16), insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend mehrere in einen gemeinsamen Maschinentisch (2) eingebaute, voneinander getrennte, gemeinsam höhenverstellbare, unter eine Arbeitsoberfläche (18) des Maschinentischs (2) absenkbare Plattformen (3), sowie mindestens einen Druckkopf (10), welcher zur schichtweisen simultanen Herstellung von jeweils einer Plattform (3) zugeordneten Komponenten (4, 5, 6) im Multimaterial-3D-Druck ausgebildet ist.

9. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine zur Absenkung der Plattformen (3) vorgesehene Hubvorrichtung (19), welche dazu ausgebildet ist, die simultan hergestellten Komponenten (4, 5, 6) so weit abzusenken, dass sie sich - zumindest mit Ausnahme der obersten Schicht (S2) - unterhalb der Arbeitsoberfläche (18) befinden.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass diese zur gleichzeitigen Verarbeitung von 3D-Druckmaterialien mit unterschiedlichem Metallgehalt ausgebildet ist und ein und derselbe Druckkopf (10) zum schichtweise Materialaufbau auf sämtlichen Plattformen (3) ausgebildet ist.