08.04.2024

Elektronenstrahl statt Laser

Innovatives Schweißverfahren für Komponenten von Wasserstoffsystemen setzt neue Maßstäbe.

Elektrolyseure erzeugen mit Hilfe von Strom Wasserstoff. Bereits kleine Elektrolyseure benötigen eine große Anzahl von Bipolarplatten (BPP), die die Wandlungskomponente CCM (Catalyst Coated Membrane) umschließen. Je hochwertiger die Schweißverbindung der Bipolarplatten, desto höher fällt der Wirkungsgrad des Systems aus; sinkt zugleich die Bearbeitungszeit, reduzieren sich die Fertigungskosten. Mehr Qualität bei geringeren Kosten: So setzt das Elektronstrahlschweißen neue Maßstäbe. Das Fraunhofer IWU perfektioniert diese Technologie nun für die Elektrolyseurfertigung, als Beitrag zur Industrialisierung von Wasserstoffsystemen.


Abb.: Das Elektronenstrahlschweißen erlaubt die gleichzeitige Bearbeitung...
Abb.: Das Elektronenstrahlschweißen erlaubt die gleichzeitige Bearbeitung mehrerer Fügestellen.
Quelle: Fh.-IWU

Zum Fügen der wenige zehntel Millimeter dünnen metallischen Bipolarplatten setzen die meisten Hersteller derzeit auf das Laserstrahlscannerschweißen, bei dem gebündeltes Licht zum Einsatz kommt. Ein Spiegel lenkt den Laserstrahl und führt ihn entlang der gewünschten Fügestellen. Dieses Verfahren funktioniert zuverlässig; die Mechanik zur (Ab-)Lenkung des Laserstrahls, insbesondere der Spiegel, begrenzt aufgrund seiner Massenträgheit jedoch die Schweißgeschwindigkeit. Für eine Bipolarplatte von der Größe eines DIN A4-Blatts sind Schweißnähte mit einer Gesamtlänge von mehr als einem Meter auszuführen, sodass die Schweißgeschwindigkeit maßgeblich für die Fertigungszeit ist.

Beim Elektronenstrahlschweißen sind Elektronen das Medium – mehrere elektromagnetische Linsen steuern die negativ geladenen Teilchen, welche mit bis zu zwei Dritteln der Lichtgeschwindigkeit auftreffen und die beiden Werkstücke miteinander verschmelzen. Dieses Verfahren kommt ohne träge Lenkungsmechanik aus, sodass der Elektronenstrahl verzögerungsfrei geführt werden kann. Auch die Flexibilität steigt: Dank der Möglichkeit zur schnellen Ablenkung des Strahls lassen sich mehrere Prozesszonen gleichzeitig bearbeiten, wo bislang eine Fügestelle nach der anderen abgearbeitet werden muss. Selbst Vor- und Nachwärmprozesse können nahezu gleichzeitig erfolgen. 

Das Forscherteam am Fraunhofer IWU um Frank Riedel experimentiert mit einer parallelen Bearbeitung von fünf Zonen (Schmelzbädern). Riedel ist sich sicher: „Bei der Mehrbadtechnik geht noch viel mehr.“ Aus qualitativer Sicht spricht außerdem für diese Technik, dass sie unter Vakuumbedingungen zum Einsatz kommt. Diese garantieren konstante Bedingungen ohne störende Schwankungen von Luftdruck oder Luftfeuchtigkeit. Die besondere Herausforderung beim Fügen von Bipolarplatten ist, dass auch nur ein einziger Hohlraum, Loch oder jede andere Unregelmäßigkeit in der Schweißnaht zur Undichtigkeit des gesamten Bauteils führen würde. Es wäre dann nicht mehr verwendbar. Projektleiter Patrick Urbanek: „Mit der Vakuumtechnik können wir äußere Einflussfaktoren ausschließen und die aus heutiger Sicht höchstmögliche Schweißnahtqualität erzielen.“

Die Elektronenstrahlanlage, mit der das Team um Urbanek nun im Rahmen des vom Bundesministeriums für Forschung und Bildung lancierten Ideenwettbewerbs „Wasserstoffrepublik Deutschland“ forscht, ist die erste Maschine dieser Art; die Firma Steigerwald entwickelte die Funktionsumfänge nach genauer Maßgabe des Fraunhofer IWU. Steigerwald-Geschäftsführer Frank Schüßler betont: „Es ist uns gelungen eine Vielzahl von Funktionen, Möglichkeiten zur Prozessüberwachung und ein flexibles, für Forschungsaufgaben ausgelegtes Design in einer kompakten Maschine zu vereinen.“

Im aktuellen Kalenderjahr legt das Chemnitzer Forscherteam den Schwerpunkt auf die weitere Entwicklung der Technologie, deren Reife für die Kleinserienfertigung ab 2025 erreicht sein dürfte. Die neue Anlage ist integraler Bestandteil der Referenzfabrik.H2, welche die Grundlagen für die industrielle Massenproduktion von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen schafft . Industrie und Wissenschaft verstehen sich dabei als Wertschöpfungsgemeinschaft, die am zügigen Hochlauf einer effizienten, stückzahlskalierbaren Produktion von Wasserstoffsystemen arbeitet.

Die Referenzfabrik.H2 basiert auf den Forschungs- und Entwicklungsprojekten des Fraunhofer IWU und weiterer Fraunhofer-Institute. Mit dem engen Schulterschluss zwischen Wissenschaft und Industrie wird es gelingen, schneller leistungsstarke, kostengünstigere Systeme für den Masseneinsatz zu produzieren.

Fh.- IWU / DE

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