Im Forschungsprojekt entwickeln die Forschenden des Fraunhofer IPT zwei verschiedene Prozesse zur Formgebung für Bipolarhalbschalen: die diskrete Umformung, bei der über ein 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, hat sich bisher kein diskretes, serienserientaugliches Umformverfahren am Markt etablieren können, mit dem sich eine schnelle Taktung oberhalb von sechzig Hüben pro Minute bei gleichbleibend hoher Umformqualität erzielen lässt.
Dafür untersuchen die Forschenden die Umform- und Stanzwerkzeuge sowie die zugehörigen Pressensysteme und die darin ablaufenden Prozesse mit dem Ziel, die Produktivität und Qualität des Bearbeitungsvorgangs zu erhöhen. Das Projektteam verkettet 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, entwickelt das Team darüber hinaus eine Inline-Qualitätsprüfung zur Integration in das Folgeverbundwerkzeug. Somit lassen sich Produktionsdefekte frühzeitig erkennen und Ausschussraten deutlich senken. Die Erkennung von Störgrößen, wie sie zum Beispiel durch Werkzeugverschleiß zustande kommen, oder Abweichungen bei der Handhabung des Materials sind Forschungsschwerpunkte.
Die hybride und kontinuierliche Produktion von Bipolarplatten-Halbschalen bietet einen alternativen Fertigungspfad zur diskreten Herstellung im Folgeverbundwerkzeug: Mit diesem Ansatz prägt das Fraunhofer-Institut 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 Projekts. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler arbeiten im Projekt mit einer Rolle-zu-Rolle Maschine, an der sie die Optimierung des kontinuierlichen Umformprozess erproben. Dafür testen und evaluieren sie die Geometrietreue und Strukturgenauigkeit der Bipolarplattenhälfte mit verschiedenen Prozessparametern.
Um den Prozess weiter zu verbessern, werden zusätzliche Sensoren in der Maschine an den Prägewalzen, des Kalanders, eingebunden. Diese geben darüber Auskunft, welche Verformungen an den Prägewalzen auftreten. In Simulationen vergleichen und validieren Wissenschaftler die Messwerte, um so die Auslegung des Maschinensystems zu verbessern und zu vereinfachen. Mit zusätzlicher Messtechnik wird der Walzspalt zwischen den beiden Prägewalzen präzise geregelt und so die Genauigkeit der entstehenden Bipolarplatten optimiert.
Das Forschungsteam optimiert nicht nur den Maschinenaufbau und die Produktionsverfahren, sondern auch 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 vergleicht deshalb systematisch 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 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 Forschenden Qualitäts- und Maschinendaten lückenlos zurückverfolgen und auswerten. Wertvolle Informationen lassen sich so ableiten, anhand derer die Wissenschaftler die Fertigung gezielt optimieren und so die Produktionseffizienz steigern können.
Fh.-IPT / JOL
