Schneiden, Schweißen und Beschriften von ... - Laser Magazin

LEITTHEMA: LASERANWENDUNGEN IN DER ENERGIETECHNIK
Schneiden, Schweißen und Beschriften
von Brennstoffzellen mit dem Laser
Brennstoffzellen gelten als Hoffnungsträger für die Energiegewinnung der
Zukunft. Insbesondere Automobilhersteller setzen auf die Vorteile, die ihnen
Brennstoffzellen als Energielieferant für Elektromotoren bieten. Die Vision von
einer sauberen und emissionsfreien Mobilität rückt damit in greifbare Nähe.
Um Brennstoffzellen kosteneffizient und mit hoher Qualität massenmarkttauglich
herstellen zu können, sind Laser zum Schneiden, Schweißen und Beschriften
unverzichtbare Werkzeuge.
In einer Brennstoffzelle verbinden
sich Wasserstoff und Sauerstoff in
einer chemischen Reaktion zu Wasser.
Die dabei frei werdende elektrische
Energie kann direkt genutzt werden,
um Elektromotoren anzutreiben. Während
des gesamten Prozesses entstehen
keine Abgase oder schädliche
Emissionen – vorausgesetzt der verwendete
Wasser- und Sauerstoff ist
ebenfalls emissionsfrei her- bzw. bereitgestellt
worden.
Um Brennstoffzellen für den Massenmarkt
herstellen zu können, ist eine
ausgeklügelte Produktionstechnik
essentiell. Denn die Herstellungskosten
derzeit verfügbarer Brennstoffzellen
sind zu hoch und damit die Fahrzeuge,
die mit Brennstoffzellen betrieben
werden, in der Anschaffung für
den Endkunden zu teuer.
Für mobile Anwendungen sind Brennstoffzellen
auf Basis metallischer Bipolarplatten
erste Wahl. Sie zeichnen
sich durch ein geringes Gewicht und
eine hohe Leistungsdichte aus, und
sind daher prädestiniert für den mobilen
Einsatz.
Metallische Bipolarplatten sind – neben
der Membran-Elektroden-Einheit
– das zentrale Element der Brennstoffzelle.
Der Herstellungsprozess der
metallischen Bipolarplatten ist sehr
komplex und von besonderer Bedeutung
für die Funktion der Brennstoffzelle.
Die Bipolarplatten werden aus
zwei sehr dünnen Metallplatten – typischerweise
0,05 bis 0,2 mm – gefer-
14 LASER MAGAZIN 2/2011
▲ Zum Schweißen von Bipolarplatten ist
das Remote-Schweißen das bevorzugte
Verfahren
tigt. Die charakteristische Kanalstruktur
(Flowfield) der Einzelplatten wird
durch Tiefziehen oder Innenhochdruckumformung
(Hydroforming) erzeugt.
Im Anschluss werden die geformten
Platten beschnitten, zur Bipolarplatte
zusammengefügt und be-
schriftet. Aufgrund seiner zahlreichen
Vorteile, spielt der Laser eine entscheidende
Rolle in der Produktion
von Brennstoffzellen.
Zuschneiden der
metallischen Platten
Nach dem Umformprozess beschnei-
det der Laser die Platten an der
Außenkontur und entfernt so überschüssiges
Material. Ebenso bringt
der Laser die sogenannten Ports ein,
durch welche die beiden Reaktionspartner
Wasser- und Sauerstoff in die
Brennstoffzelle strömen. Neben einer
hohen Schnittqualität und einer gratfreien
Schnittkante ist eine hohe
Schneidgeschwindigkeit unverzichtbar,
um einen hohen Produktionsdurchsatz
zu erreichen. Die hohe
Schneidgeschwindigkeit darf jedoch
nicht zu Lasten der Bauteilpräzision
gehen, da sie für den Herstellungsprozess
von großer Bedeutung ist. Nur
präzise geschnittene Platten lassen
sich später zu einem Stack stapeln,
ohne dass sich die Fertigungstoleranzen
negativ auswirken.
Der Laser eignet sich beim Zuschneiden
der Platten aufgrund seiner hohen
Flexibilität besonders gut für die Produktion
von Prototypen und Kleinserien.
Designänderungen können Anwender
einfach und schnell umsetzen.
Dies ist ein großer Vorteil, denn viele
Brennstoffzellendesigns und Bipolarplatten
befinden sich derzeit noch in
der Erprobung und Änderungen im
Design sind häufig. Um in den dünnen
Platten die präzisen Schnitte bei
hoher Vorschubgeschwindigkeit zu
erzielen, werden neben hochdynamischen
Maschinen auch Laser hoher
Strahlqualität, typischerweise Festkörperlaser
(Faser- oder Scheibenlaser)
eingesetzt.
Verbinden zweier
geformter Platten
Jeweils zwei geformte Platten werden
zu einer Bipolarplatte zusammengefügt.
Wie beim Zuschneiden ist auch
bei diesem Prozessschritt eine hohe
Prozessgeschwindigkeit gefordert.
Dabei muss sichergestellt werden,

▲ Lasergeschnittene und -geschweißte Bipolarplatte mit Kanalstruktur
und Medienports
Bild: Maschinentechnik GmbH & Co. KG, Netphen-Werthenbach
dass die Verbindung eine hohe Festigkeit hat und gasdicht
ist. Eine undichte Stelle an der Bipolarplatte macht die
Brennstoffzelle und den kompletten Stack, in dem sich die
Bipolarplatte befindet, unbrauchbar, da Wasser- und Sauerstoff
unkontrolliert miteinander reagieren können.
Ein Fahrzeug mit Brennstoffzellen benötigt etwa 400 Bipolarplatten,
wodurch die Dichtigkeit zusätzlich an Bedeutung
gewinnt. Die Schweißverbindungslänge pro Bipolarplatte
beträgt etwa ein Meter. Hochgerechnet auf ein Fahrzeug
mit Brennstoffzellen müssen etwa 400 Meter Schweißnaht
prozesssicher gasdicht erzeugt werden. Daher müssen
Fügeverfahren eingesetzt werden, die zuverlässig Schweißnähte
mit höchster Qualität herstellen. Dies beinhaltet
einen geringen Wärmeeintrag für einen minimalen Verzug,
um die Stapelbarkeit der Bipolarplatten zu gewährleisten.
Zudem darf die Fügeverbindung keine Gefügeveränderungen
im Grundmaterial erzeugen. Denn nur so kann die
Bipolarplatte nach dem Fügen beschichtet, die elektrische
Leitfähigkeit verbessert und vor Korrosion geschützt werden.
Für diese Fügeaufgabe ist das Laser Remote-Schweißen
das Verfahren der Wahl. Festkörperlaser wie Faser- oder
Scheibenlaser werden dabei mit einer Scanneroptik kombiniert.
Das Scannerschweißen ist heutzutage im Karosseriebau
fest etabliert. Die Vorteile liegen auf der Hand: Mit zwei
kleinen beweglichen Spiegeln wird der Laserstrahl blitzschnell
auf dem Werkstück platziert, um einerseits Positionierzeiten
zu minimieren und andererseits hohe Vorschubgeschwindigkeiten
zu realisieren. Laserleistungen von unter
1.000 Watt genügen, um bei Schweißnahttiefen von
wenigen Zehntelmillimetern Schweißgeschwindigkeiten zu
erreichen, die ein Vielfaches von 10 Metern pro Minute ermöglichen.
Derzeit werden neue Verfahren in der Lasertechnik
entwickelt, die mit derselben Ausrüstung nicht nur
schweißen, sondern auch schneiden können. Erste Versuche
an 0,1 mm dickem Edelstahl ermöglichen Schneidge-
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LEITTHEMA: LASERANWENDUNGEN IN DER ENERGIETECHNIK
▲ Faserlaser TruFiber von TRUMPF
schwindigkeiten von 120 Metern in der
Minute, wobei die Schnittqualität und
Konturtreue der Bauteile noch nicht
den hohen Ansprüchen genügen, die
das klassische Laserschneiden erfüllt.
Daher wird dieses Remote-Schneiden
in der Serienfertigung von Bipolarplatten
derzeit noch nicht eingesetzt,
bietet aber ein großes Potential für
die Zukunft.
16 LASER MAGAZIN 2/2011
Markieren der Bipolarplatten
Durch Markieren können an Bipolarplatten
Marken- und Produktkennzeichnung
aufgebracht werden, die
eine Rückverfolgbarkeit ermöglichen.
Neben einer hohen Prozessgeschwindigkeit
steht hier die Langzeitbeständigkeit
der Markierung im Vordergrund.
Denn nur eine dauerhafte Markierung,
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die temperaturstabil und korrosionsbeständig
ist, kann auch noch viele
Jahre später erfolgreich zur Rückverfolgbarkeit
genutzt werden.
Laserbeschriften ist das vielseitigste
und flexibelste Beschriftungsverfahren,
das in der industriellen Produktion
eingesetzt wird. Bei Metallen
können mit dem Laser Anlassfarben
erzeugt werden, indem die Werkstückoberfläche
auf eine bestimmte Temperatur
erwärmt wird. Die Werkstückoberfläche
ändert ihre Farbe, bleibt
dabei aber völlig eben, was die Korrosionsbeständigkeit
gewährleistet.
Der Laser bietet zudem die Möglichkeit,
Seriennummern und andere individuelle
Teileinformationen auf die
Bipolarplatte direkt in der Produktionslinie
aufzubringen. Dank der sehr
guten Auflösung (bis 25 µm) ist die
Markierung sehr präzise und von
hoher Qualität. Wie auch bei den vorhergehenden
Prozessschritten Laserschneiden
und -schweißen ist keine
Nacharbeit erforderlich. Da das Werkzeug
Laser berührungsfrei arbeitet,
verschleißt es nicht.
In vielen Branchen hat sich der Laser
bereits als wichtiges Werkzeug zum
Trennen, Schweißen und Markieren
etabliert. Von seinen Vorteilen profitiert
auch die Fertigung von Brennstoffzellen.
Lasertechnik ermöglicht
eine qualitativ hochwertige sowie effiziente
Produktion und hilft dabei, der
emissionsfreien Mobilität der Zukunft
ein Stück näher zu kommen.
■ INFO
Autoren:
Alexander Hangst
Uwe Kriegshäuser
TRUMPF Laser- und Systemtechnik
GmbH, Ditzingen
Kontakt:
Uwe Kriegshäuser
Branchenmanagement
Automotive – Elektromobilität
TRUMPF Laser- und Systemtechnik GmbH
Tel.: 07156 303 30113
E-Mail: uwe.kriegshaeuser@de.trumpf.com
www.trumpf.de / www.trumpf.com