DE102022003804A1

DE102022003804A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Laserschweißen von metallischen Platinen

Info

Publication number: DE102022003804A1
Application number: DE102022003804.8A
Authority: DE
Inventors: Michael Lau; Lutz Riedel; auf Antrag nicht genannt. Ort(e)
Original assignee: Sitec Ind GmbH; SITEC INDUSTRIETECHNOLOGIE GmbH
Current assignee: Sitec Ind GmbH; SITEC INDUSTRIETECHNOLOGIE GmbH
Priority date: 2022-10-14
Filing date: 2022-10-14
Publication date: 2024-04-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine technische Lösung zum Laserschweißen von metallischen Platinen, wobei ausgehend von einem bandförmigen Trägerstreifen, in dem an beiden Längsseiten jeweils eine Positionier- und Vorschubgeometrie ausgestaltet wird und in dem vollständig die Konturen von separaten Baugruppen ausgeformt werden, zwei derart ausgestaltete Trägerstreifen mittels der Positionier- und Vorschubgeometrie konturgleich zueinander ausgerichtet, mit einem in die Positionier- und Vorschubgeometrie eingreifenden Transportsystem zusammengeführt, mit dem Transportsystem in Längsrichtung verlagert, mit einem Walzenpaar aneinander gepresst und mit einem Laserstrahl miteinander verschweißt werden. Aufgabe der Erfindung ist es, eine diesbezügliche Lösung zu schaffen, die eine Fertigung großer Stückzahlen von metallischen Platinen für Bipolarplatten von Brennstoffzellen, für Platinen von Wärmetauschern und für ähnliche technische Objekte durch Laserschweißen ermöglicht, wobei durch ein zeitparalleles Schweißen an mehreren Bauteilabschnitten der Zeitaufwand gegenüber den bisher üblichen Fertigungsmethoden deutlich reduziert werden soll. Diese Aufgabe wird gelöst, indem der Laserschweißprozess in zwei funktionsgleiche Prozessmodule mit jeweils mindestens einem Walzenpaar und einem Strahlablenkungssystem mit mindestens einem Laserstrahl aufgeteilt wird und wobei mit jedem Prozessmodul unterschiedliche Gruppen von Schweißnähten in die zu erzeugenden Bauteile eingebracht werden. Hierfür werden verfahrenstechnische und vorrichtungstechnische Merkmale beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft eine technische Lösung zum Laserschweißen von metallischen Platinen, wobei ausgehend von einem bandförmigen Trägerstreifen, in dem an beiden Längsseiten jeweils eine Positionier- und Vorschubgeometrie ausgestaltet wird und in dem vollständig die Konturen von separaten Baugruppen ausgeformt werden, zwei derart ausgestaltete Trägerstreifen mittels der Positionier- und Vorschubgeometrie konturgleich zueinander ausgerichtet, mit einem in die Positionier- und Vorschubgeometrie eingreifenden Transportsystem zusammengeführt, mit dem Transportsystem in Längsrichtung verlagert, mit einem Walzenpaar aneinander gepresst und mit einem Laserstrahl miteinander verschweißt werden.
Aufgrund der begrenzten Ressourcen an fossilen Energieträgern (z.B. Kohle, Erdöl, Erdgas) sowie aus ökologischen Aspekten (z.B. Reduzierung der CO₂-Emission) wird grundsätzlich eine effektivere Nutzung von konventionellen Energieträgern und eine zunehmende Nutzung von alternativen Energieträgern angestrebt. Diesbezüglich typische Anwendungsgebiete sind beispielsweise Wärmetauscher und Brennstoffzellen.
Bei einem Wärmetauscher wird ein Medium mit einer bestimmten Temperatur durch ein anderes Medium mit einer anderen Temperatur geleitet, ohne dass diese Medien in direkte Wirkverbindung miteinander treten. Sofern dabei ein wärmeres Medium durch ein kälteres Medium geleitet wird, entsteht ein Heizeffekt. Sofern hingegen ein kälteres Medium durch ein wärmeres Medium geleitet wird, entsteht ein Kühleffekt.
Wärmetauscher bestehen überwiegend aus mehreren übereinander angeordneten Platinen. Diese Platinen werden vorzugsweise aus zwei parallel zueinander angeordneten Blechteilen gebildet, die miteinander verschweißt werden.
DE 43 33 904 A beschreibt einen solchen Wärmetauscher für zwei durchströmende Medien mit parallelen Strömungskanälen. Der Wärmetauscher besteht aus schichtweise aufeinander liegenden Blechtafeln mit einem mäanderförmigen Profil. Die jeweils aufliegende Blechtafel deckt die Strömungskanäle der darunterliegenden Blechtafel ab. Sofern zwei übereinander liegende Blechtafeln spiegelbildlich zueinander ausgerichtet werden, ergeben sich durch die Profilkonturen mäanderförmige Strömungskanäle für die wärmeführenden Medien.
Aus DD 243 088 A1 ist ein Wärmetauscher mit einer trapezförmigen Profilstruktur bekannt. Hierbei werden die Strömungskanäle gebildet, indem ein bandförmiger Blechstreifen mit ausgeformten Profilen mehrfach S-förmig übereinander gelegt wird.
Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler, die die in einem Brennstoff und in einem Oxidationsmittel enthaltene chemische Energie in elektrische Energie umwandeln. Die Brennstoffzelle weist eine für Elektronen undurchlässige Membran (den Elektrolyten) auf, welche die Brennstoffzelle in eine Anoden- und eine Kathodenseite trennt. Die Membran ist auf beiden Seiten jeweils mit einem katalytisch wirkenden Elektrodenmaterial versehen. An der Anode wird der kontinuierlich zugeführte Brennstoff (z.B. Wasserstoff) dissoziiert und Elektronen werden abgespalten. Die Elektronen können aufgrund der Sperrwirkung der Membran nicht direkt zur Kathodenseite wandern, sondern müssen über einen separaten Stromleiter fließen. Es entsteht eine elektrische Spannung zwischen Anode und Kathode, die abgegriffen und zur Erzeugung eines Stromkreises genutzt werden kann. Der Spannungsabgriff erfolgt über je eine Separatorplatte, die die Brennstoffzelle auf der Anodenseite und der Kathodenseite nach außen begrenzen. Die entstehende Spannung in einer Brennstoffzelle beträgt zumeist 0,5 Volt bis 1,0 Volt. Sofern höhere Spannungen benötigt werden, können mehrere Brennstoffzellen in Reihe geschaltet werden. Man spricht von einem Brennstoffzellenstapel oder -stack. Die verfügbare Spannung ergibt sich aus der Anzahl der einzelnen Brennstoffzellen. Für den Antrieb eines PKW werden gegenwärtig Stacks mit etwa 400 einzelnen Brennstoffzellen konzipiert. Zwei benachbarte Brennstoffzellen berühren sich jeweils an ihren Separatorplatten. Verbindet man die angrenzenden Separatorplatten elektrisch leitend miteinander, entsteht aus einer Anodenplatte und einer Kathodenplatte eine sogenannte Bipolarplatte. Durch diese Bipolarplatten wird das Spannungspotential von einer Zelle zur nächsten Zelle geschoben, so dass an den jeweils äußeren Zellen des Brennstoffzellenstapels die Gesamtspannung abgegriffen werden kann. Beide Bipolarplattenhälften (Anoden- und Kathodenplatte) sind mit zueinander kongruenten Konturen ausgestaltet.
Aus DE 10 2019 202 493 A1 ist eine Lösung zur Herstellung eines Bipolarplattenstrangs bekannt, der eine Vielzahl von zusammenhängenden Bipolarplatten für eine Brennstoffzelle aufweist. Dabei werden zwei separate Plattenstränge in Bandform aus zwei voneinander beabstandeten Vorrichtungen im Vorschubverfahren zunehmend aufeinander geführt und durch Walzen aufeinander gepresst. Im Wirkbereich der Walzen werden die Plattenstränge mittels Laser miteinander verschweißt und im weiteren Vorschub in einzelne Bipolarplatten getrennt.
Ein ähnliches Verfahren wird in DE 10 2019 220 057 A1 beschrieben. Dabei weisen die separaten Plattenstränge an beiden Außenbereichen jeweils Durchbrüche ähnlich einer Perforation auf. Diese Durchbrüche werden als Positionierhilfe zum exakten Ausrichten der beiden übereinanderliegenden Plattenstränge und für deren Vorschub verwendet.
DE 102 43 833 A1 betrifft eine weitere Variante zum Laserschweißen dünner Bauteile. Dabei bilden eine obere transparente Platte und eine untere Platte funktionell ein Spannelement. Die zu verbindenden Bauteile werden direkt an ihrer Fügestelle zwischen der transparenten Platte und der Unterplatte zusammengehalten. Der Laserstrahl dringt durch den transparenten Teil des Spannelements, wird auf das Werkstück fokussiert und bewirkt eine Schweißverbindung. In einer Ausführungsvariante umfasst das Spannelement Walzen, die einen Anpressdruck auf die Bauteile ausüben. Eine Walze ist transparent ausgebildet, so dass der Laserstrahl durch diese Walze geführt werden kann. Die Bauteile werden durch Rotation der Walzen zwischen diesen hindurch geführt und von den Walzen weggefördert, so dass eine Endlosfertigung möglich ist.
Obwohl somit bereits mehrere Lösungen zur Herstellung von Platinen für Wärmetauscher und für Bipolarplatten bekannt sind, besteht aufgrund der zunehmenden Nutzung alternativer Energien weiterhin ein hoher Entwicklungsbedarf. Denn die bekannten Lösungen erfordern relativ lange Taktzeiten, so dass eine Steigerung der Stückzahl objektiv begrenzt bzw. nur mit zusätzlichen Anlagen erreichbar ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine technische Lösung zu schaffen, die eine Fertigung großer Stückzahlen von metallischen Platinen für Bipolarplatten von Brennstoffzellen, für Platinen von Wärmetauschern und für ähnliche technische Objekte durch Laserschweißen ermöglicht, wobei durch ein zeitparalleles Schweißen an mehreren Bauteilabschnitten der Zeitaufwand gegenüber den bisher üblichen Fertigungsmethoden deutlich reduziert werden soll.
Die Aufgabe wird verfahrenstechnisch gelöst, indem der Laserschweißprozess in zwei funktionsgleiche Prozessmodule mit jeweils mindestens einem Walzenpaar und einem Strahlablenkungssystem mit mindestens einem Laserstrahl aufgeteilt wird. Mit jedem Prozessmodul werden unterschiedliche Gruppen von Schweißnähten der zu erzeugenden Bauteile derart eingebracht, dass die Walzen synchronisiert zur Bewegung der Trägerstreifen von oben und unten auf die Trägerstreifen zugestellt werden und sich synchron zum Transportsystem drehen, dass der Schweißprozess über das Strahlablenkungssystem erfolgt und dass die Ausgleichsachsen der Walzen nach Beendigung des Schweißprozesses zurückgestellt und zum Schweißen der nächsten Bauteile zurückgedreht oder weitergedreht werden, wobei diese Bewegung der Walzen innerhalb eines Zeitraums erfolgt, bis die Abschnitte der Trägerstreifen für das nächste zu erzeugende Bauteil die Bearbeitungsposition der beiden Prozessmodule erreicht haben. Der Laserschweißprozess wird somit in zwei zeitparallele Module aufgeteilt, mit denen jeweils verschiedene Gruppen von Schweißnähten erzeugt werden.
Eine Ausgestaltung schlägt vor, dass für den Schweißprozess an jedem Prozessmodul jeweils mindestens ein Laserstrahl durch einen lichtdurchlässigen Abschnitt einer Walze des zugehörigen Walzenpaares geführt und auf den Konturverlauf der jeweils zu erzeugenden Schweißnähte gerichtet wird und entlang dieses Konturverlaufes den ersten Trägerstreifen mit dem zweiten Trägerstreifen verschweißt.
Eine Ausgestaltung schlägt vor, dass die Trägerstreifen geradlinig und die Prozessmodule mit Walzenpaar und Strahlablenkungssystem bezogen auf die Bewegungsrichtung der Trägerstreifen in einem Winkel > 0° und < 90° bewegt werden. Bei dieser Vorzugsvariante werden somit die bandförmigen Trägerstreifen gerade und die Walzen hierzu schräg verlagert. Diese Variante ist technologisch vorteilhaft in Fertigungsprozesse zu integrieren, weil an industriellen Fertigungslinien bandförmige und ähnliche endlose Materialien ganz überwiegend gerade positioniert werden.
Eine alternative Ausgestaltung schlägt vor, dass die Prozessmodule mit Walzenpaar und Strahlablenkungssystem geradlinig und die Trägerstreifen bezogen zur Bewegungsrichtung der Prozessmodule in einem Winkel > 0° und < 90° bewegt werden. Diese Variante erfordert eine Fertigungshalle mit größerem bzw. geometrisch aufwendigem Grundriss. Dennoch kann eine derartige Ausführung vorteilhaft sein, sofern eine diesbezügliche Fertigungslinie zum Beispiel in einem vorhandenen Gebäude mit verwinkeltem Grundriss installiert werden soll.
Für ein derartiges Verfahren ergeben sich zahlreiche Einsatzfälle, bei denen mindestens zwei streifenförmige metallische Segmente geringer Stärke im Rahmen einer Fließfertigung mittels Laserschweißen zu einem technischen Objekt zusammengefügt werden sollen.
Eine diesbezügliche Ausgestaltung schlägt vor, dass ein solches Verfahren zur Herstellung von Bipolarplatten für Brennstoffzellen verwendet wird, wobei in den Trägerstreifen die Konturen von Anoden und Kathoden ausgeformt werden.
Eine alternative Ausgestaltung schlägt vor, dass ein solches Verfahren zur Herstellung von Platinen für Wärmetauscher verwendet wird, wobei in den Trägerstreifen die Konturen von Kanalstrukturen ausgeformt werden.
Die Aufgabe der Erfindung wird vorrichtungstechnisch gelöst, indem die Vorrichtung ein Transportsystem für die Trägerstreifen, zwei separate Prozessmodule mit jeweils zwei parallel zueinander angeordneten Walzenpaaren und zwei Strahlablenkungssystemen aufweist. Das Transportsystem kann als ein kontinuierlich arbeitendes System oder alternativ als ein quasikontinuierlich arbeitendes System konzipiert werden und ist ausgestaltet, um in die an den Trägerstreife ausgestaltete Positionier- und Vorschubgeometrie eingreifen zu können. Die Positionier- und Vorschubgeometrie kann beispielsweise als ein Lochraster ausgebildet werden.
Die Walzenpaare realisieren den Nullspalt für den Schweißprozess zwischen den zwei zu verbindenden Bauteilabschnitten der Trägerstreifen, bei einer Fertigung von Bipolarplatten also den Nullspalt zwischen Anode und Kathode. Von jedem Walzenpaar ist jeweils eine Walze oberhalb der Trägerstreifen und jeweils eine Walze unterhalb der Trägerstreifen angeordnet. Weiterhin weist jedes Strahlablenkungssystem mindestens einen einzelnen Laserstrahl auf.
Eine Ausgestaltung schlägt vor, dass die oberhalb der Trägerstreifen angeordneten Walzen jedes Walzenpaares einen teilkreisförmigen Querschnitt und die unterhalb der Trägerstreifen angeordneten Walzen jedes Walzenpaares einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Der teilkreisförmige Querschnitt kann in fertigungstechnisch vorteilhafter Weise über 180° als ein Halbkreis ausgestaltet werden. Ebenso sind Querschnittskonturen mit einem anderen Winkel als 180° möglich.
Eine weitere Ausgestaltung schlägt vor, dass die oberhalb der Trägerstreifen angeordneten teilkreisförmigen Walzen jedes Walzenpaares mindestens einen offenen Durchbruch oder/und einen transparenten Abschnitt aufweisen, die dafür ausgestaltet sind, um einen Laserstrahl des Strahlablenkungssystems durchführen zu können. Diese teilkreisförmigen Walzen erfordern einen geringeren Bauraum als vollständig kreisförmige Walzen (Rundwalze) und können aufgrund ihres geringeren Gewichts auch einfacher in eine geänderte Position verlagert werden. Die partiell lichtdurchlässigen Bereiche in Form eines transparenten Abschnittes oder eines vollständig offenen Durchbruchs können somit schnell und exakt in den Strahlungsgang des zugeordneten Lasers positioniert werden, um die jeweilige Schweißnaht zu fertigen.
Eine Ausgestaltung schlägt vor, dass das Strahlablenkungssystem einen bis vier separate Laserstrahlen aufweist. Es versteht sich, dass an den teilkreisförmigen Walzen eine gleichartige Anzahl transparenter Abschnitte oder offener Durchbrüche vorgesehen ist, um jeweils einen Laserstrahl durch jeweils einen lichtdurchlässigen Bereich der teilkreisförmigen Walze auf jeweils einen zu schweißenden Abschnitt an den Trägerstreifen ausrichten zu können.
Die konkrete Anzahl der Laserstrahlen des Strahlablenkungssystems ist abhängig von den jeweils zu fertigenden Bauteilen, primär von der Anzahl, der Länge und der Position der zu fertigenden Schweißnähte. Grundsätzlich könnten auch mehr als vier Laserstrahlen vorgesehen werden. Dies ist unabhängig vom größeren Bauteil- und Steuerungsaufwand jedoch kaum sinnvoll, weil sich aufgrund der Baugröße dann zwangsläufig das Handling der gesamten Vorrichtung verschlechtert.
Eine Ausgestaltung schlägt vor, dass die Walzenpaare bezogen auf die Vorschubrichtung der Trägerstreifen in einem Winkel angeordnet sind und dass die Strahlablenkungssysteme unter demselben Winkel mittig über den Walzenpaaren angeordnet sind.
Eine diesbezügliche Ausgestaltung schlägt vor, dass dieser Winkel der Walzenpaare und der Strahlablenkungssysteme gegenüber der Vorschubrichtung der Trägerstreifen entsprechend dem Rasterabstand der auf beiden Längsseiten der Trägerstreifen ausgestalteten Positionier- und Vorschubgeometrie festlegbar ist. Durch die somit definierbaren Winkelstellungen wird gewährleistet, dass tatsächlich alle zu schweißenden Abschnitte erfasst und geschweißt werden.
Mit den oben beschriebenen Merkmalen wird eine technische Lösung geschaffen, die eine Fertigung großer Stückzahlen metallischer Platinen für Bipolarplatten von Brennstoffzellen, für Platinen von Wärmetauschern und ähnliche technische Objekte durch Laserschweißen ermöglicht. Dabei wird insbesondere durch ein zeitparalleles Schweißen an mehreren Bauteilabschnitten der Zeitaufwand gegenüber den bisher üblichen Fertigungsmethoden deutlich reduziert.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert.
Die erfindungsgemäße technische Lösung ist - wie oben dargelegt - für eine Herstellung von verschiedenartigen technischen Objekten geeignet. An dieser Stelle wird beispielhaft eine Anwendung zur Herstellung von Bipolarplatten für Brennstoffzellen beschrieben. Solche Brennstoffzellen werden beispielsweise für Straßen- und Schienenfahrzeuge verwendet, bei denen konventionelle Verbrennungsmotoren durch andere Antriebskonzepte ersetzt werden. Es zeigen:

1 den grundsätzlichen Aufbau der Vorrichtung in stilisierter Darstellung in Draufsicht
2 den Aufbau eines separaten Prozessmoduls in perspektivischer Ansicht
3 das Funktionsprinzip der Vorrichtung in stilisierter Darstellung in Seitenansicht

Die in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung ist zum Laserschweißen von metallischen Platinen konzipiert. Ausgangspunkt der Fertigung ist ein bandförmiger Trägerstreifen 1, in dem an beiden Längsseiten jeweils eine Positionier- und Vorschubgeometrie 2 ausgestaltet wird. Im Trägerstreifen 1 werden durch Stanzprägen, Rollprägen oder ähnliche Verfahren vollständig die Konturen von jeweils separaten Baugruppen ausgeformt, hier die zueinander kongruenten Konturen einer Anode 3 bzw. Kathode 3 einer Bipolarplatte.
Die in Längsrichtung des Trägerstreifens 1 mit ihren Konturen ausgestalteten und jeweils benachbarten Anoden bzw. Kathoden 3 werden im Verbund des Trägerstreifens 1 gehalten. Dies wird beispielsweise durch eine weiterhin volle Fläche des Trägerstreifens 1 zwischen benachbarten Bauteilen oder (wie in der Zeichnung dargestellt) über mehrere Stege 4 im Trägerstreifen 1 realisiert. Nach der Ausprägung der Konturen für die Anoden bzw. Kathoden 3 durchläuft der Trägerstreifen 1 zumeist einen Waschprozess.
Anschließend werden zwei derart ausgestaltete Trägerstreifen 1^I und 1^II (3) mittels der Positionier- und Vorschubgeometrie 2 konturgleich zueinander ausgerichtet, mit einem in die Positionier- und Vorschubgeometrie 2 eingreifenden Transportsystem zusammengeführt und mit diesem Transportsystem in Längsrichtung verlagert. Im weiteren Verfahrensablauf werden die Trägerstreifen 1^I und 1^II mit einem Walzenpaar aneinander gepresst und mit einem Laserstrahl miteinander verschweißt.
Aus 1 ist ersichtlich, dass die Vorrichtung ein Transportsystem für die Trägerstreifen 1 aufweist. Das Transportsystem selbst ist in 1 nicht dargestellt. Die vom Transportsystem ausgelöste Bewegung und folglich die Bewegungsrichtung der Trägerstreifen 1 ist jedoch durch zwei beidseits der Enden der Trägerstreifen 1 angeordnete Pfeile mit dem Bezugszeichen „A“ stilisiert. Demzufolge werden die Trägerstreifen 1 hier von links nach rechts transportiert. Das Transportsystem ist dabei so ausgestaltet, dass es in die an den Trägerstreifen 1 ausgestaltete Positionier- und Vorschubgeometrie 2 eingreifen kann.
Die Vorrichtung umfasst außerdem zwei separate Prozessmodule PM 1 und PM 2, die jeweils zwei parallel zueinander angeordnete Walzenpaare 5.1 und 5.2 bzw. 6.1 und 6.2 sowie zwei Strahlablenkungssysteme 7.1 und 7.2 bzw. 8.1 und 8.2 aufweisen. Diese Strahlablenkungssysteme 7.1 und 7.2 bzw. 8.1 und 8.2 sind in 1 lediglich durch Bezugszeichen stilisiert dargestellt.
In 2 ist das in 1 links dargestellte Prozessmodul PM 1 nochmals separat und aus einem anderen Blickwinkel dargestellt. Aus dieser Darstellung sind die an den Längsseiten der Trägerstreifen 1 ausgestaltete Positionier- und Vorschubgeometrie 2, die zueinander kongruenten Konturen von Anode 3 bzw. Kathode 3 sowie die zwischen den benachbarten Anoden bzw. Kathoden 3 vorhandenen Stege 4 nochmals deutlich zu erkennen.
Weiterhin ist aus 2 ersichtlich, dass von jedem Walzenpaar 5.1 und 5.2 jeweils eine Walze 5.1.1 bzw. 5.2.1 oberhalb der Trägerstreifen 1 und jeweils eine Walze 5.1.2 bzw. 5.2.2 unterhalb der Trägerstreifen 1 angeordnet ist. Dabei weisen die oberhalb der Trägerstreifen 1 angeordneten Walzen 5.1.1 und 5.2.1 jeweils einen teilkreisförmigen Querschnitt auf, der hier die Kontur einer Halbwalze hat. Die unterhalb der Trägerstreifen 1 angeordneten Walzen 5.1.2 bzw. 5.2.2 weisen jeweils einen vollständig kreisförmigen Querschnitt in Form einer Rundwalze auf. Die oberhalb der Trägerstreifen 1 angeordneten teilkreisförmigen Walzen 5.1.1 und 5.2.1 sind bei der gezeigten Ausführung mit insgesamt vier offenen Durchbrüchen 9 ausgestaltet. Durch diese Durchbrüche 9 kann jeweils ein Laserstrahl 10 der zugeordneten Strahlablenkungssysteme 7.1 bzw. 7.2 geleitet werden. Der Konturverlauf der Durchbrüche 9 wird auf den Konturverlauf der zu erzeugenden Schweißnähte angepasst. Deshalb sind die einzelnen Durchbrüche 9 einer teilkreisförmigen Walze 5.1.1 bzw. 5.2.1 teilweise unterschiedlich ausgerichtet.
Sowohl aus 1 als auch aus 2 ist ersichtlich, dass die Walzenpaare 5.1 / 5.2 / 6.1 / 6.2 bezogen auf die Vorschubrichtung der Trägerstreifen 1 in einem Winkel angeordnet sind. Die Strahlablenkungssysteme 7.1 / 7.2 / 8.1 / 8.2 sind mittig über den Walzenpaaren 5.1 / 5.2 / 6.1 / 6.2 unter demselben Winkel angeordnet. Dieser Winkel der Walzenpaare 5.1 / 5.2 / 6.1 / 6.2 und der Strahlablenkungssysteme 7.1 / 7.2 / 8.1 / 8.2 gegenüber der Vorschubrichtung der Trägerstreifen 1 wird vorzugsweise entsprechend dem Rasterabstand der auf den beiden Längsseiten der Trägerstreifen 1 ausgestalteten Positionier- und Vorschubgeometrie 2 festgelegt.
Unabhängig von ihrer jeweils konkreten Ausgestaltung werden die Trägerstreifen 1^I und 1^II (in 2 als zusammengeführte Elemente als Trägerstreifen „1“ bezeichnet) stets translatorisch bewegt, wobei diese Bewegung mit zwei Pfeilen mit einem Bezugszeichen „A“ stilisiert ist. Die Walzen 5.1.1 / 5.1.2 / 5.2.1 / 5.2.2 werden unabhängig von ihrer jeweils konkreten Ausgestaltung stets rotatorisch bewegt. Durch den Winkelversatz zwischen dem Trägerstreifen 1 und den Walzenpaaren 5.1 und 5.2 ergibt sich durch die Überlagerung von translatorischer und rotatorischer Bewegung mit fortschreitender Bearbeitung ein seitliches Ausweichen der Walzen 5.1.1 / 5.1.2 / 5.2.1 / 5.2.2. Diese Bewegung, die in 2 mit vier Pfeilen mit einem Bezugszeichen „B“ stilisiert ist, muss für einen reproduzierbaren nächsten Bearbeitungsschritt in eine neutrale Ausgangsposition zurückgestellt werden. Somit stellt die Achse „B“ funktionell eine Ausgleichsachse dar.
Weiterhin ist aus 2 ersichtlich, dass jedes Strahlablenkungssystem 7.1 und 7.2 am Prozessmodul PM 1 jeweils vier Laserstrahlen 10 aufweist.
Das hier nicht dargestellte Prozessmodul PM 2 hat einen gleichen Aufbau der Walzenpaare 6.1 und 6.2 wie das Prozessmodul PM 1. Auch die Ausführung der Strahlablenkungssysteme 8.1 und 8.2 ist am Prozessmodul PM 2 vorzugsweise identisch wie am Prozessmodul PM 1.
In 3 ist dieser grundlegende Aufbau der Vorrichtung nochmals stilisiert in Seitenansicht dargestellt. Beim Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich der folgende Funktionsablauf:

a) das Transportsystem und die vom Transportsystem über die Positionier- und Vorschubgeometrie 2 angetriebenen Trägerstreifen 1^I und 1^II laufen mit einer synchronen Geschwindigkeit
b) alle Walzen der Walzenpaare 5.1 / 5.2 / 6.1 / 6.2 befinden sind in einer Grundstellung bezüglich ihres Winkels und ihrer Position
c) alle Walzen der Walzenpaare 5.1 / 5.2 / 6.1 / 6.2 werden synchron beschleunigt in Rotation versetzt und in Richtung der Trägerstreifen 1^I und 1^II zugestellt
d) bei einem Kontakt mit den Trägerstreifen 1^I und 1^II sind das „Bearbeitungsmuster“ auf den Walzen der Walzenpaare 5.1 / 5.2 / 6.1 / 6.2 und die Position auf den Trägerstreifen 1^I und 1^II in Förderrichtung „A“ zueinander synchronisiert
e) bei einem Kontakt mit den Trägerstreifen 1^I und 1^II haben die Walzen der Walzenpaare 5.1 / 5.2 / 6.1 / 6.2 die gleiche Bahngeschwindigkeit wie die Trägerstreifen 1^I und 1^II
f) bei einem Kontakt mit den Trägerstreifen 1^I und 1^II haben die Walzen der Walzenpaare 5.1 / 5.2 / 6.1 / 6.2 die Ausgleichsgeschwindigkeit, die sich aus dem Winkel und der Geschwindigkeit der Trägerstreifen 1^I und 1^II ergibt
g) es erfolgt ein synchrones „Abwickeln“ und Ausweichen der Walzen der Walzenpaare 5.1 / 5.2 / 6.1 / 6.2 bis zum Ende des jeweiligen „Bearbeitungsmusters“
h) die Walzen der Walzenpaare 5.1 / 5.2 / 6.1 / 6.2 werden synchron von den Trägerstreifen 1^I und 1^II abgehoben
i) die Walzen der Walzenpaare 5.1 / 5.2 / 6.1 / 6.2 werden synchron weitergedreht und deren Ausgleichsachsen „B“ werden bis in die Grundposition zurückgestellt, um den verfahrensbedingt auftretenden Versatz zwischen den Trägerstreifen 1^I und 1^II und den Walzen der Walzenpaare 5.1 / 5.2 / 6.1 / 6.2 zu kompensieren

Nunmehr kann die Bearbeitung erneut mit einem Bearbeitungsschritt c) fortgesetzt werden, um aus den auf den beiden Trägerstreifen 1^I und 1^II ausgestalteten konturgleichen Abschnitten einer Anode 3 und Kathode 3 durch Laserschweißen eine weitere Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle zu fertigen.
In einem dem Schweißprozess nachgeordneten Abschnitt der Fertigungslinie werden die jeweils über die Stege 4 noch verbundenen Bauteile getrennt, so dass separate Bipolarplatten entstehen.
Bezugszeichenliste

1: Trägerstreifen
1I: Trägerstreifen
1II: Trägerstreifen
2: Positionier- und Vorschubgeometrie
3: separate Baugruppe / z.B. Anode oder Kathode 3
4: Steg im Trägerstreifen
5.1: Walzenpaar am Prozessmodul PM 1
5.1.1: Walze oberhalb der Trägerstreifen / teilkreisförmige Walze
5.1.2: Walze unterhalb der Trägerstreifen / Rundwalze
5.2: Walzenpaar am Prozessmodul PM 1
5.2.1: Walze oberhalb der Trägerstreifen / teilkreisförmige Walze
5.2.2: Walze unterhalb der Trägerstreifen / Rundwalze
6.1: Walzenpaar am Prozessmodul PM 2
6.2: Walzenpaar am Prozessmodul PM 2
7.1: Strahlablenkungssystem am Prozessmodul PM 1
7.2: Strahlablenkungssystem am Prozessmodul PM 1
8.1: Strahlablenkungssystem am Prozessmodul PM 2
8.2: Strahlablenkungssystem am Prozessmodul PM 2
9: Durchbruch in der teilkreisförmigen Walze
10: Laserstrahl vom Strahlablenkungssystem
A: Bewegungsrichtung der Trägerstreifen
B: Ausgleichsachsen der Walzen
PM 1: Prozessmodul 1
PM 2: Prozessmodul 2

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4333904 A [0005]
DD 243088 A1 [0006]
DE 102019202493 A1 [0008]
DE 102019220057 A1 [0009]
DE 10243833 A1 [0010]

Claims

Verfahren zum Laserschweißen von metallischen Platinen, wobei ausgehend von einem bandförmigen Trägerstreifen, in dem an beiden Längsseiten jeweils eine Positionier- und Vorschubgeometrie ausgestaltet wird und in dem vollständig die Konturen von separaten Baugruppen ausgeformt werden, zwei derart ausgestaltete Trägerstreifen mittels der Positionier- und Vorschubgeometrie konturgleich zueinander ausgerichtet, mit einem in die Positionier- und Vorschubgeometrie eingreifenden Transportsystem zusammengeführt, mit dem Transportsystem in Längsrichtung verlagert, mit einem Walzenpaar aneinander gepresst und mit einem Laserstrahl miteinander verschweißt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserschweißprozess in zwei funktionsgleiche Prozessmodule mit jeweils mindestens einem Walzenpaar und einem Strahlablenkungssystem mit mindestens einem Laserstrahl aufgeteilt wird, wobei mit jedem Prozessmodul unterschiedliche Gruppen von Schweißnähten der zu erzeugenden Bauteile derart eingebracht werden, dass die Walzen synchronisiert zur Bewegung der Trägerstreifen von oben und unten auf die Trägerstreifen zugestellt werden und sich synchron zum Transportsystem drehen, dass der Schweißprozess über das Strahlablenkungssystem erfolgt und dass die Ausgleichsachsen der Walzen nach Beendigung des Schweißprozesses zurückgestellt und zum Schweißen der nächsten Bauteile zurückgedreht oder weitergedreht werden, wobei diese Bewegungen der Walzen innerhalb eines Zeitraums erfolgt, bis die Abschnitte der Trägerstreifen für das nächste zu erzeugende Bauteil die Bearbeitungsposition der beiden Prozessmodule erreicht haben.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Schweißprozess an jedem Prozessmodul jeweils mindestens ein Laserstrahl durch einen lichtdurchlässigen Abschnitt einer Walze des zugehörigen Walzenpaares geführt und auf den Konturverlauf der jeweils zu erzeugenden Schweißnähte gerichtet wird und entlang dieses Konturverlaufes den ersten Trägerstreifen mit dem zweiten Trägerstreifen verschweißt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstreifen geradlinig und die Prozessmodule mit Walzenpaar und Strahlablenkungssystem bezogen auf die Bewegungsrichtung der Trägerstreifen in einem Winkel > 0° und < 90° bewegt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessmodule mit Walzenpaar und Strahlablenkungssystem geradlinig und die Trägerstreifen bezogen auf die Bewegungsrichtung der Prozessmodule in einem Winkel > 0° und < 90° bewegt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Verfahren zur Herstellung von Bipolarplatten für Brennstoffzellen verwendet wird, wobei in den Trägerstreifen die Konturen von Anoden und Kathoden ausgeformt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Verfahren zur Herstellung von Platinen für Wärmetauscher verwendet wird, wobei in den Trägerstreifen die Konturen von Kanalstrukturen ausgeformt werden.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Laserschweißen von metallischen Platinen, wobei ausgehend von einem bandförmigen Trägerstreifen, in dem an beiden Längsseiten jeweils eine Positionier- und Vorschubgeometrie ausgestaltet ist und in dem vollständig die Konturen von separaten Baugruppen ausgeformt sind, zwei derart ausgestaltete Trägerstreifen mittels der Positionier- und Vorschubgeometrie konturgleich zueinander ausgerichtet, mit einem in die Positionier- und Vorschubgeometrie eingreifenden Transportsystem zusammengeführt, mit dem Transportsystem in Längsrichtung verlagert, mit einem Walzenpaar aneinander gepresst und mit einem Laserstrahl miteinander verschweißt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Transportsystem für die Trägerstreifen (1; 1^I; 1^II), zwei separate Prozessmodule (PM 1; PM 2) mit jeweils zwei parallel zueinander angeordneten Walzenpaaren (5.1; 5.2 und 6.1; 6.2) und zwei Strahlablenkungssysteme (7.1; 7.2 und 8.1; 8.2) aufweist, wobei das Transportsystem ausgestaltet ist, um in die an den Trägerstreifen (1; 1^I; 1^II) ausgestaltete Positionier- und Vorschubgeometrie eingreifen zu können, wobei von jedem Walzenpaar (5.1; 5.2; 6.1; 6.2) jeweils eine Walze (5.1.1; 5.2.1) oberhalb der Trägerstreifen (1; 1^I; 1^II) und jeweils eine Walze (5.1.2; 5.2.2) unterhalb der Trägerstreifen (1; 1^I; 1^II) angeordnet ist und wobei jedes Strahlablenkungssystem mindestens einen einzelnen Laserstrahl (10) aufweist
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die oberhalb der Trägerstreifen (1; 1^I; 1^II) angeordneten Walzen (5.1.1; 5.2.1) jedes Walzenpaares (5.1; 5.2; 6.1; 6.2) einen teilkreisförmigen Querschnitt und die unterhalb der Trägerstreifen (1; 1^I; 1^II) angeordneten Walzen (5.1.2; 5.2.2) jedes Walzenpaares (5.1; 5.2; 6.1; 6.2) einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die oberhalb der Trägerstreifen (1; 1^I; 1^II) angeordneten teilkreisförmigen Walzen (5.1.1; 5.2.1) jedes Walzenpaares (5.1; 5.2; 6.1; 6.2) mindestens einen offenen Durchbruch (9) oder/und einen transparenten Abschnitt aufweisen, die dafür ausgestaltet sind, um jeweils einen Laserstrahl (10) des Strahlablenkungssystems (7.1; 7.2; 8.1; 8.2) durchführen zu können.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlablenkungssystem (7.1; 7.2; 8.1; 8.2) einen bis vier separate Laserstrahlen (10) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Walzenpaare (5.1; 5.2; 6.1; 6.2) bezogen auf die Vorschubrichtung der Trägerstreifen (1; 1^I; 1^II) in einem Winkel angeordnet sind und dass die Strahlablenkungssysteme (7.1; 7.2; 8.1; 8.2) unter demselben Winkel mittig über den Walzenpaaren (5.1; 5.2; 6.1; 6.2) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel der Walzenpaare (5.1; 5.2; 6.1; 6.2) und der Strahlablenkungssysteme (7.1; 7.2; 8.1; 8.2) gegenüber der Vorschubrichtung der Trägerstreifen (1; 1^I; 1^II) entsprechend dem Rasterabstand der auf beiden Längsseiten der Trägerstreifen (1; 1^I; 1^II) ausgestalteten Positionier- und Vorschubgeometrie (2) festlegbar ist.