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Die Entwicklung industrieller Technologien für die Produktion der Brennstoffzelle steht im Zentrum des Forschungsprojekts «H2GO», in dem 19 Fraunhofer-Institute in ganz Deutschland zusammen an verschiedenen fertigungstechnischen Herausforderungen arbeiten. Dazu zählen effiziente Prozesse und Produktionssysteme sowie der dazugehörige Maschinen- und Anlagenbau.
Im Forschungsprojekt «H2GO», sollen die Forschenden des Fraunhofer IPT zwei verschiedene Prozesse zur Formgebung für Bipolarhalbschalen entwickelt haben: die diskrete Umformung, bei der über einen Werkzeugeinsatz, auch Aktivteil genannt, im Folgeverbundwerkzeug ein Brennstoffzellen-Design auf ein metallisches Blech geprägt wird, und die Rolle-zu-Rolle-Umformung (R2R), bei der das Design der Brennstoffzelle über eine Prägewalze auf eine metallische Folie aufgebracht wird.
Während die hochwertige Einzelfertigung von Bipolarplattenhälften im Labormassstab gelingt, so das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (Fraunhofer IPT), hat sich bisher kein diskretes, serientaugliches Umformverfahren am Markt etablieren können, mit dem sich eine schnelle Taktung oberhalb von 60 Hüben pro Minute bei gleichbleibend hoher Umformqualität erzielen lässt. Im Forschungsprojekt «H2GO» arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer IPT daran, Bipolarplatten in der Folgeverbundproduktion in die Serienfertigung zu bringen. Dafür untersuchen sie die Umform- und Stanzwerkzeuge sowie die zugehörigen Pressensysteme und die darin ablaufenden Prozesse, mit dem Ziel, die Produktivität und Qualität des Bearbeitungsvorgangs zu erhöhen.
Gemäss Fraunhofer IPT verkettet das Projektteam die erforderlichen Bearbeitungsschritte in einem Folgeverbundwerkzeug: Zusätzlich zu den bereits vorhandenen Stanz- und Umformeinheiten integriert das Forschungsteam ein Erwärmungsmodul, das das dünne Blechmaterial leichter umformbar macht. Damit auch bei hohen Stückzahlen die engen Toleranzforderungen an Bipolarplatten erreicht werden, soll das Team eine Inline-Qualitätsprüfung zur Integration in das Folgeverbundwerkzeug integrierem. Somit sollen sich Produktionsdefekte frühzeitig erkennen und Ausschussraten deutlich senken lassen. Die Erkennung von Störgrössen, wie sie zum Beispiel durch Werkzeugverschleiss zustande kommen, oder Abweichungen bei der Handhabung des Materials sind Forschungsschwerpunkte, die das Fraunhofer IPT im Projekt «H2GO» bearbeitet.
Die hybride und kontinuierliche Produktion von Bipolarplatten-Halbschalen bietet einen alternativen Fertigungspfad zur diskreten Herstellung im Folgeverbundwerkzeug: Mit diesem Ansatz prägt das Fraunhofer IPT das Design der Bipolarplatten-Halbschale über eine Walze in die metallische Folie ein. Den Prägevorgang zu optimieren und für die industrielle Anwendung nutzbar zu machen, ist ein weiteres Ziel des Forschungsprojekts «H2GO».
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer IPT arbeiten im Projekt mit einer Rolle-zu-Rolle-Maschine, an der sie die Optimierung des kontinuierlichen Umformprozesses erproben. Dafür testen und evaluieren sie die Geometrietreue und Strukturgenauigkeit der Bipolarplattenhälfte mit verschiedenen Prozessparametern. Um den Prozess weiter zu verbessern, sollen zusätzliche Sensoren in der Maschine an den Prägewalzen, des sogenannten Kalanders, eingebunden werden. Diese würden darüber Auskunft geben, welche Verformungen an den Prägewalzen auftreten. Mit Simulationen sollen die Messwerte vergleichen und validieret werden, um so die Auslegung des Maschinensystems zu verbessern und zu vereinfachen. Mit zusätzlicher Messtechnik werde der Walzspalt zwischen den beiden Prägewalzen präzise geregelt und so die Genauigkeit der entstehenden Bipolarplatten optimiert.
Neben einer Optimierung des Maschinenaufbaus und der Produktionsverfahren geht es auch um verschiedene Bipolarplattendesigns. Ziel ist es, festzustellen, welche Strukturen sich am besten im Rolle-zu-Rolle-Verfahren abformen lassen. Die Abformqualität der Bipolarplatten-Halbschale hängt stark von der Beschaffenheit der Walzenstruktur ab. Der hohe Durchsatz der industriellen Serienfertigung führt zu Abnutzung und Verschleiss an den Werkzeugen. Das Team des Fraunhofer IPT vergleicht deshalb die Standzeiten verschiedener Walzenmaterialien an einem Verschleissprüfstand für hohe Zyklenzahlen, um so einen Überblick über voraussichtliche Nutzungsdauer der Walzen zu gewinnen. Mit diesen Informationen lassen sich, so das Fraunhofer IPT, Verschleiss und Prozesskosten genauer als bisher berechnen und verschiedene Produktionsprozesse auch hinsichtlich der Kosten pro Teil vergleichen.
Sowohl bei der diskreten Fertigung im Folgeverbundwerkzeug als auch bei der kontinuierlichen Fertigung im Rolle-zu-Rolle-Verfahren durchläuft eine Bipolarplattenhälfte eine Vielzahl von Einzelprozessen. Neben der eigentlichen Formgebung existieren weitere vor- und nachgelagerte Prozessschritte wie die Reinigung, der Dichtungsauftrag oder die Laserbearbeitung der Komponente. Um den Weg der Bipolarplattenhälfte durch die Prozesskette nachvollziehen zu können, setzen die Forschenden auf zusätzliche Beschriftungs- und Scannermodule. Damit erhält jedes Werkstück im ersten Prozessschritt einen Data-Matrix-Code (DMC), der in Folgeprozessen ausgelesen und erfasst wird. Mit dem DMC können die Forscherinnen und Forscher Qualitäts- und Maschinendaten zurückverfolgen und auswerten. Damit sei es möglich die Fertigung gezielt zu optimieren und die Produktionseffizienz steigern zu können.
Pressemitteilung Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie
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