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Technischer
Bereich
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren für die Herstellung einer Platte
aus Metall oder einem keramischen Material, wobei die Platte ein
oder mehrere Felder umfasst, die den größten Teil der Oberfläche der
Platte einnehmen und die auf mindestens einer Seite der Platte hochrelief-gemustert sind, genauer, so
gemustert, dass die Platte auf dieser mindestens einen Seite innerhalb
des Gebiets des Felds oder der Felder Reliefe mit abwechselnd hohen
Vorsprüngen und
tiefen Tälern
oder Vertiefungen aufweist, und zwischen den Seiten ein dünnes Netz,
wobei das mit hochrelief-gemusterte Feld oder die Felder zumindest
teilweise von breiten Randabschnitten umgeben sind, die eine Dicke
haben, die größer als
die mittlere Dicke der Platte innerhalb des Gebiets der hochrelief-gemusterten
Felder oder des Felds sind. Platten, die für den Einsatz in Brennstoffzellen
oder Wärmetauschern
bestimmt sind, sind typische Beispiele für Platten der oben genannten
Art.
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Stand der
Technik
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Es
ist schwierig, Platten der oben beschriebenen Art herzustellen,
und es ist außerordentlich schwierig,
solche Platten herzustellen, die dünn sind und ausgeprägt Hochrelief-gemustert
sind, während sie
gleichzeitig breit sind. Herkömmliche
Methoden wie mechanisches Bearbeiten, Funkenerosionsbearbeitung, Ätzen, Laserbearbeitung
etc. sind langsam und teuer, und dennoch ist es schwer, mit solchen herkömmlichen
Methoden ein perfektes Produkt bereitzustellen. Dies hat in hohem
Maß die
Entwicklung von Brennstoffzellen behindert, in welchen zahlreiche Hochrelief-gemusterte
Platten beinhaltet sind. Solche Platten in einem System können zum
Beispiel zur Trennung von verschiedenen Gasen, zum Transport von
Restprodukten und zum Führen
eines erzeugten Stroms in dem Brennstoffzellensystem beitragen und
haben üblicherweise
eine runde, quadratische oder rechteckige Form mit einem mittleren Feld,
das auf beiden Seiten Rillen hat, die durch relativ hohe Ausläufer bzw.
Zungen voneinander getrennt sind. Diese Hochrelief-gemusterten Felder sind
von einem umlaufenden, vergleichsweise breiten Rand umgeben, der
einen flachen Rahmen um das Hochrelief-gemusterte mittlere Feld
bildet, wobei die oberen Flächen
der Zungen mit den beiden Seitenflächen des Rahmens zusammenfallen.
Die Dicke solcher Platten kann von Fall zu Fall recht deutlich schwanken, überschreitet üblicherweise
aber 3 mm nicht, während
die Dicke des Netzes zwischen den Rillen z.B. im Bereich von 1 mm
liegen kann. Ein Verfahren zum Erzeugen der Rillen in den Platten
gemäß heutiger
Technik ist durch irgendeine Art von maschineller Bearbeitung, doch
das ist wie erwähnt ein
langsamer und kostspieliger Vorgang. Es ist nicht möglich, mittels
herkömmlicher
Formverfahren zu bewirken, dass das Material vollständig in
die Werkzeugform fließt,
weil beträchtliche
Reibungskräfte den
Transport des Materials verhindern. Wenn andererseits in herkömmlichen
Anlagen zur Bereitstellung des notwendigen Materialtransports größere Drücke angewendet
würden,
um zu bewirken, dass das Material die Werkzeuggussform vollständig ausfüllt, dann
können
die Werkzeuge beschädigt
werden. Ähnliche
Probleme treten bei der Herstellung von Platten auf, die für den Einsatz
in Wärmetauschern bestimmt
sind.
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Offenbarung
der Erfindung
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Der
Zweck der Erfindung ist, einen deutlich besser geeigneten Prozess
für die
Herstellung von Metallplatten von der in der Einleitung erwähnten Art bereitzustellen,
insbesondere Metallplatten für Brennstoffzellen
und/oder Wärmetauscher.
Genauer zielt die Erfindung darauf, ein Herstellungsverfahren bereitzustellen,
welches deutlich billiger als herkömmliche Verfahren ist, aber
dennoch ein Produkt bereitstellt, das die sehr strengen Ansprüche hinsichtlich
Maßgenauigkeit,
Dichte und anderen Eigenschaften erfüllt, die von Brennstoffzellenplatten
und Wärmetauscherplatten
gestellt werden. Das Verfahren der Erfindung ist jedoch nicht nur
auf die Herstellung von Brennstoffzellenplatten und Wärmetauscherplatten
beschränkt,
sondern kann auch weitgehend für
andere Metallplatten verwendet werden, insbesondere für Platten,
die im Verhältnis
zu ihrer Dicke breit sind.
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Gemäß der Erfindung
wird eine Presstechnik verwendet, die eine hohe kinetische Energie
für das Herstellen
der Platte mit den Hochrelief-gemusterten Seiten aufwendet. Es ist
aber nicht möglich,
Platten mit diesem Muster durch Pressen mit hoher kinetischer Energie
durch einen einzelnen Stoß herzustellen,
wenn man mit einem Pulver oder einer flachen Platte beginnt. Selbst
wenn das Material durch den sehr hohen Druck, der durch das hochkinetische Pressen
erzeugt wird, weich wird, wird die Fähigkeit des Materials dennoch
zu begrenzt sein, um nicht nur in die labyrinth artigen Gänge in dem
Abschnitt des Formwerkzeugs zu fließen, der das Hochrelief-Muster
bilden soll, sondern um auch zu den dickeren Randbereichen zu fließen. Ebenso
wenig ist es in diesem Werkzeug möglich, das Produkt durch eine Reihe
von Stößen zu formen.
Im Gegenteil, die Probleme würden
verstärkt
werden. Das ist insbesondere zutreffend, wenn man mit einem Pulver
beginnt, welches sicherlich in einer Oberflächenebene beim ersten Aufschlag
plastifiziert werden kann. Doch das würde stattdessen das Plastifzieren
des Pulvers weiter unten in der Pulverschicht erschweren, was ein sehr
inhomogenes Verdichten und erhöhte
Reibung zur Folge hätte.
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Das
Prinzip der Erfindung ist daher, zuerst ein Zwischenprodukt herzustellen,
das für
einen abschließenden
Formvorgang geeignet ist, darauf beruhend, dass die Hochrelief-gemusterte
Platte mit einem einzigen Stoß durch
die Zuführung
von sehr hoher kinetischer Energie geformt wird.
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Gemäß der Erfindung
wird ein Zwischenprodukt in mindestens einem vorausgehenden Schritt hergestellt,
wobei das Zwischenprodukt einen ersten Abschnitt umfasst, der das/die
Hochrelief-gemusterte(n)
Felder) umfasst, der jedoch noch nicht hochrelief-gemustert ist,
sondern eine Menge an Material enthält, die im wesentlichen der
Materialmenge entspricht, die in dem/n Feld(ern) der fertigen Platte
vorkommt, und zweite Abschnitte, die die Randabschnitte bilden sollen
und die im wesentlichen die Materialmenge enthalten, die in den
Randabschnitten der fertigen Platte vorkommen sollen. Dieses Zwischenprodukt
wird zwischen mindestens zwei Formwerkzeugteile gebracht, die relativ
zueinander beweglich sind, wobei mindestens eines der Formwerkzeugteile Hochrelief-geprägt ist und
mindestens eines ein Stempel ist, wobei die Werkzeugteile, wenn
sie so nah wie möglich
zusammen gebracht werden, zwischen sich und oder zusammen mit mindestens
einem oder mehreren Werkzeugteilen eine Formhöhlung bilden, die der endgültigen Form
der fertigen Platte innerhalb der Bereiche der hochrelief-gemusterten
Felder entspricht und zumindest nahe an der endgültigen Form der Randabschnitte
ist. Dann werden die Hochrelief-Muster in dem Bereich/den Bereichen
des Felds bzw. der Felder hergestellt, indem die geprägten Werkzeugteile
gegeneinander gestoßen werden,
zumindest der Stempel wird gegen das Zwischenprodukt geschlagen,
wobei das Material in den Bereichen des mindestens einen ersten
Abschnitts dazu gebracht wird, zu fließen und die Formhöhlung zu
füllen,
um das Hochreliefmuster im wesentlichen ohne Materialtransport zwischen
dem ersten und dem zweiten Abschnitt zu bilden.
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Um
die gravierten Werkzeugteile gegeneinander zu schlagen, können ein
bzw. zwei Kolben verwendet werden, die vorzugsweise hydraulisch
angetrieben werden, welche gegen den Stempel bzw. die Stempel geschlagen
werden, welche wiederum die kinetische Energie auf das Zwischenprodukt übertragen.
Die Stempel und Aufschlagelemente sind damit in diesem Fall getrennte
Einheiten, wobei die Aufschlagelemente z.B. aus hydraulischen Schlagkolben
bestehen können.
Es ist jedoch möglich,
dass die Aufschlagelemente und die Stempel durchgängige Einheiten
sind. Dies kann besonders dann zutreffen, wenn der Schlag von oben
ausgeführt
wird, wobei das Aufschlagelement, z.B. ein hydraulischer Kolben,
mit dem Stempel verbunden ist, der von oben auf eine Pressform niedergeschlagen
wird. Der Stempel ist in diesem Fall eine Verlängerung der Kolbenstange des
Schlagkolbens. Der selbe Zustand kann prinzipiell auch in dem Fall
erhalten werden, wenn die Aufschlagmaschine auch einen unteren Stempel
umfasst, der z.B. über
einen unteren Stempelhalter mit einem unteren Aufschlagelement vereint
sein kann, das auch aus einem Kolben bestehen kann. Gemäß dieser
Modifikation findet die Beschleunigung der Stempel während des
Schlags vorzugsweise innerhalb des Durchgangslochs in dem mindestens
einen weiteren Werkzeugteil statt, das vorzugsweise eine Pressform
ist, die die Höhlung
beinhaltet, in der die Formarbeit stattfindet.
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Durch
Anwenden einer sehr hohen Aufschlagseinwirkung beim abschließenden Formungsvorgang
durch einen einzelnen, sehr kraftvollen Schlag auf das Arbeitsmaterial
aus einer Richtung oder aus zwei entgegengesetzten Richtungen wird ein
Druck erzeugt, der eine sehr kurze Dauer hat, aber so hoch ist,
dass das Arbeitsmaterial plastifiziert wird und die Formhöhlung ausfüllt, so
dass das Material zu allen Teilen der Formhöhlung vermutlich aufgrund geringerer
Reibung deutlich effizienter ausfließt als in einem herkömmlichen
Pressvorgang, der auf der Ausübung
sehr hoher Kräfte
beruht. Das Verfahren, welches ein Formen mit hoher, oder richtiger, hinreichender
kinetischer Energie von beweglichen Werkzeugteilen beinhaltet, führt zu einer
Plastifizierung des Materials und bewirkt damit möglicherweise auch
das Auftreten der geringeren Reibung, was ermöglicht, dass das Material mit
einer Geschwindigkeit plastisch geformt werden kann, die 10–100 mal höher als
bei herkömmlichen
Formungsverfahren sein kann.
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Gemäß durchgeführten Messungen
und Berechnungen hat der Druckpuls, der bei dem einzelnen Aufschlag
erzeugt wird, eine Dauer von weniger als 0.001 sek, aber eine Größe, die
im Bereich von 1–10
GPa liegt. Typischerweise liegt der Bereich bei 1.5–5 GPa.
Wegen des hohen Drucks und der durch den hohen Druck verursachten
Plastifizierung wird vermutlich auch die niedrige Reibung zwischen
dem Arbeitsmaterial und den Wänden
der Formhöhlung sowie
zwischen den Pulverkörnern
erreicht, wenn das Arbeitsmaterial aus einem Pulver besteht (kann bei
der Herstellung des Zwischenprodukts angewendet werden), was dazu
beiträgt
oder eine Voraussetzung für
die Fähigkeit
des Arbeitsmaterial ist, auszufließen und alle Teile der Formhöhlung auszufüllen.
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Das
Ausgangsmaterial für
die Herstellung des Zwischenprodukts ist entweder ein keramisches Pulver
oder ein Metallpulver oder eine homogene Keramik oder eine Metallplatte,
die auf herkömmliche Weise
hergestellt werden kann, z.B. durch Ausstanzen aus einer größeren Platte,
oder durch Verdichten und Sintern eines Pulvers, oder auf irgendeine
andere Weise, die Pulververfahren für das Erreichen einer homogenen
Platte mit gleichmäßiger Dicke
einbezieht. Zumindest wenn man mit einer homogenen Platte beginnt,
kann das Herstellen des Zwischenprodukts darauf zielen, Material
zu den äußeren Rändern der
Platte zu pressen. Unabhängig
davon, welches Verfahren genutzt wird, ist das Ziel der Herstellung
des Zwischenprodukts, ein Zwischenprodukt bereitzustellen, in dem
eine maßgebliche
Materialmenge am richtigen Ort vorhanden ist, d.h. im Bereich des
Felds/der Felder bzw. der Randabschnitte, wenn der abschließende Formvorgang
durchgeführt
wird, wenn die Platte zwischen den gravierten Formwerkzeugteilen
unter einem sehr hohen Druck mit sehr kurzer Dauer wie oben beschrieben
geformt wird, so dass die Platte das Hochrelief-Muster im Bereich
des mittleren Felds erhält,
d.h. mit Rillen und Zungen geformt wird, wenn es sich um die Herstellung
von Brennstoffzellenplatten handelt. Wenn das Material bei dem abschließenden Formvorgang
zum Fliessen gebracht wird, weil es unter sehr hohem Druck plastifiziert,
dann kann auch die Porosität
beseitigt werden, die möglicherweise
in dem Zwischenprodukt vorhanden ist, wenn man mit einem Pulver
beginnt, so dass eine Dichte erreicht wird, die ausreichend für die Funktion
der Platte z.B. in einer Brennstoffzelle ist. Als Alternative kann
die Porosität
beseitigt werden, indem die fertig geformte Platte in einem darauffolgenden
Vorgang gesintert wird. Gemäß noch einer weiteren
Alternative wird die Porosität
schon im Zwischenprodukt beseitigt, indem das Zwischenprodukt gesintert
wird, d.h. indem es auf eine geeignete Temperatur erhitzt wird,
um die bestehenden Poren im Material zu verschmelzen, bevor die
Platte dem abschließenden
Formvorgang unterworfen wird. Es kann auch eine Kombination dieser
Alternativen erdacht werden.
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In
Verbindung mit der Herstellung des Zwischenprodukts kann ein Rohling
pulvermetallurgisch gefertigt werden, der wie oben erwähnt, durch
erhitzen entsprechend gesintert wird, so dass sich die Pulverkörner verbinden,
um einen im wesentlichen verfestigten Körper zu bilden, der für das darauffolgende
abschließende
Formen geeignet ist, indem die gravierten Werkzeugteile mit so hoher
kinetischer Energie gegeneinander gebracht werden, dass das Material
wie vorstehend erwähnt
plastifiziert. Es ist auch denkbar, das Zwischenprodukt durch das
Pressen von Pulver in einem Werkzeug herzustellen, was mindestens
einen Stempel umfasst, der mit hoher kinetischer Energie gegen das
Pulver gestoßen
wird, wobei die kinetische Energie so hoch ist und zu einem so hohen
Grad auf das Pulver übertragen
wird, dass das Pulver zu einem so hohen Grad plastifizieren wird,
dass das Zwischenprodukt ausreichend verfestigt wird, um als ein
Zwischenprodukt für
den abschließenden
Formungsvorgang verwendet zu werden. Es ist auch denkbar, einen
Rohling oder einen verfestigten Körper durch Pressen in einer
Vielzahl von Schritten zu bilden.
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Um
das Vorverdichten des Pulvers zu einem gut vereinigten oder verfestigten
Körper
in Verbindung mit der Herstellung des Zwischenprodukts ausgehend
von einem Metallpulver zu vereinfachen, kann es vorteilhaft sein,
das Pulver vor dem Pressvorgang bzw. den Pressvorgängen auf
mindestens 70°C
vorzuwärmen.
Dies trifft besonders dann zu, wenn das Metall aus einem Leichtmetall
besteht, vorzugsweise aus einem der Metalle, die zu der Gruppe gehören, welche
aus Aluminium, Magnesium und Titan besteht, oder aus einer Legierung,
die im wesentlichen aus einem oder mehreren dieser Metalle besteht.
Typischerweise werden Brennstoffzellenplatten aus solchen Metallen
hergestellt. Für
die Herstellung von Platten aus anderen Metallen, wie Messing oder
Stahl, einschließlich
Edelstahl, sollte das Ausgangsmaterial, egal ob es ein Pulver oder
eine homogene Platte ist, auf eine höhere Temperatur vorgewärmt werden.
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Das
Zwischenprodukt kann auch aus einer homogenen Metallplatte durch
herkömmliche
Bearbeitung hergestellt werden, wie zum Beispiel durch Fräsen oder
Schleifen, um zu erreichen, dass der erste Abschnitt/die ersten
Abschnitte eine dünnere Dicke
als die Randabschnitte hat/haben, d.h. um die „richtige Materialmenge am
richtigen Ort" für das darauffolgende
abschließende
Formen mittels hoher kinetischer Energie sicherzustellen, wenn das
Hochrelief-Muster
hergestellt wird.
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In
Verbindung mit dem Formvorgang/den Formvorgängen, die Bewegungen von Werkzeugteilen
relativ zu einander mit hinreichend hoher kinetischer Energie umfassen,
können
untere Werkzeugteile auf einem Amboss bereitgestellt werden, der feststehend
oder während
des Formvorgangs nach oben bewegbar ist, während obere Werkzeugteile, die
beschleunigt werden, um eine hinreichend hohe kinetische Energie
zu erhalten, nach unten gegen das/die untere(n) Werkzeugteil(e)
gestoßen
werden, wobei Vorrichtungen vorzugsweise dafür bereitgestellt sind, um die
Stoßwelle,
die sich ansonsten in der verwendeten Aufschlagmaschine entwickelt,
zu dämpfen
oder auszulöschen.
Beispielsweise kann jede der Aufschlagmaschinen verwendet werden,
die in den Schwedischen Patentanmeldungen 0001558-6, 0001660-2,
00020305 und/oder 0003279-7, welche von demselben Anmelder angemeldet
wurden, beschrieben sind. Diese Maschinen sind besonders gut für das abschließende Formen von
Brennstoffzellenplatten und Wärmetauscherplatten
geeignet, wobei sie sogenanntes Formen mit hoher kinetischer Energie
umfassen, können
aber auch vorteilhaft für
die Herstellung des Zwischenprodukts verwendet werden, auch in dem
Fall, dass die Herstellung Formen von der Art und Weise umfasst,
bei der die Zuführung
einer angemessenen kinetischen Energie für die Erzeugung eines Druckpulses
angewendet wird, der eine sehr kurze Dauer, aber eine sehr große Stärke hat.
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Es
ist auch denkbar, dass das Gravieren auf den Seiten der Metallplatte
mittels gesonderter Werkzeugteile in Verbindung mit dem Formen des
Zwischenprodukts aus dem Pulver ausgeführt wird, ebenso wie in Verbindung
mit dem abschließenden Formen
der Hochrelief-gemusterten Platten. Beispielsweise können ein
mittlerer Stempel und ein erster Kolben, die möglicherweise durchgängig sind,
für das/die
mittlere(n) Felder) verwendet werden, welches Hochrelief-gemustert sein soll,
und/oder ein oder mehrere umlaufende Stempel und ein oder mehrere
zweite Kolben, die auch möglicherweise durchgängig sind,
können
verwendet werden, um den umlaufenden, rahmenförmigen Randabschnitt zu formen.
Dieses Prinzip bietet die Gelegenheit, die meiste kinetische Energie
an den Bereich abzugeben, in dem die Anforderungen hinsichtlich
guten Fließverhaltens
am höchsten
sind, d.h. an das/die mittlere(n) Feld(er), die Hochrelief-gemustert sein sollen.
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In
Aufschlagmaschinen wird ein Verfahren angewendet, das oft als Hochgeschwindigkeitsformen
bezeichnet wird, da hohe Kolbengeschwindigkeiten in Aufschlagmaschinen
im allgemeinen als Voraussetzung für das Erreichen von gewünschten
Ergebnissen, was die Formarbeit betrifft, betrachtet wurden. Hohe
Geschwindigkeiten der beweglichen Einheiten können jedoch eine Erschwerung
mit sich bringen, wenn die Maschine nach dem Gegenschlagprinzip
arbeitet, d.h. mit Einheiten, die sich während des Aufschlagvorgangs
aufeinander zu bewegen. Die Erschwerung liegt in der Tatsache, dass
die Bewegungen der Einheiten, die gegeneinander bewegbar sind, mit
großer
Genauigkeit hinsichtlich Geschwindigkeit (Impuls) und Ort synchronisiert
und abgestimmt sein müssen,
damit der Schlag gleichzeitig mit richtigem Impuls der sich gegeneinander
bewegenden Massen durchgeführt
wird, was zunehmend schwieriger wird, je höher die Geschwindigkeiten der sich
bewegenden Teile sind.
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Ein
Aspekt der Erfindung beruht auf der Überlegung, dass die Geschwindigkeiten
der bewegbaren Einheiten in den Aufschlagmaschinen, die sich während des
Aufschlagvorgangs gegeneinander bewegen, überhaupt nicht so groß sein müssen, wie
es aus der Sicht des Stands der Technik als notwendig betrachtet
wurde. Ebenso wenig sollten die kinetischen Energien entsprechend
groß sein
müssen, d.h.
eine geringere Geschwindigkeit muss nicht unbedingt durch entsprechend
größere bewegbare Massen
ausgeglichen werden. Gemäß diesem
Aspekt der Erfindung kann daher die Geschwindigkeit der Kolben im
Bereich von 5–10
Meter pro Sekunde verringert werden auf die Größenordnung von 1 Meter pro
Sek., oder allgemeiner auf 0.5–2
Meter pro Sekunde.
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Die
niedrigeren Geschwindigkeiten verbessern damit die Möglichkeit,
die Bewegungen der bewegbaren Einheiten während des Aufschlagvorgangs
zu synchronisieren. Auch wenn die Geschwindigkeiten grundlegend
verringert sind, kann die Formarbeit dennoch perfekt sein, egal
ob das Arbeitsmaterial ein Pulver oder ein Festkörper ist. Ohne die Erfindung
mit irgendeiner bestimmten Theorie zu verbinden kann angenommen
werden, dass dies aufgrund der guten Synchronisation der gegengerichteten
Bewegungen der Fall ist, was wiederum zur Folge hat, dass die kinetische
Energie der bewegbaren Massen im wesentlichen als effektive Formarbeit
mit geringen Energieverlusten an das Maschinenfundament und den
Ständer
verwendet werden kann.
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Ein
weiterer günstiger
Effekt bei den niedrigeren Geschwindigkeiten der Einheiten, die
gegeneinander bewegbar sind, ist, dass die Kolbenwege verkürzt werden
können.
Das macht es möglich,
die Aufschlagvorrichtungen/Kolben und die Stempel so auszulegen,
dass sie durchgängige
Einheiten bilden, wie oben erwähnt.
Die Stempel können
in diesem Fall in die oberen bzw. unteren Öffnungen der Pressform in der
Ausgangsstellung für
einen Aufschlagvorgang eingefügt
sein, selbst wenn die Stempel mit den Aufschlagvorrichtungen/Kolben
oder entsprechendem vereint sind, wobei die Kolbenwege, d.h. die
Beschleunigungslängen,
kürzer
als die axiale Länge
der Formhöhlung
der Pressform sein werden.
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Es
versteht sich daher, dass die Ausdrücke „hohe kinetische Energie" oder „sehr hohe
kinetische Energie" relative
Begriffe sind und so ausgelegt werden sollen, dass sie hinreichende
kinetische Energie für
das Erreichen des Effekts hinsichtlich der Formarbeit bedeuten,
der im vorangehenden erwähnt
wurde und in der folgenden, ausführlichen
Beschreibung der Erfindung genauer beschrieben wird.
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Weitere
charakteristische Eigenschaften und Aspekte der Erfindung sowie
Vorteile werden aus den angefügten
Patenansprüchen
und aus der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform ersichtlich werden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnung
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In
der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform einer Erfindung
wird Bezug auf die beigefügte
Zeichnung genommen, die schematisch die Herstellung einer Brennstoffzelle
veranschaulicht, wobei
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1 schematisch
die Werkzeugteile für
die Herstellung eines Zwischenprodukts zeigt,
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2 einen
Teil von 1 vergrößert zeigt,
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3 die
Werkzeugteile für
die Herstellung des Endprodukts zeigt,
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4 einen
Teil von 3 vergrößert zeigt,
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5 die
prinzipielle Form des Zwischenprodukts in einem Querschnitt zeigt,
und
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6 die
prinzipielle Form des Endprodukts, einer Metallplatte für Brennstoffzellen,
im Querschnitt zeigt.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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Mit
Bezug auf zunächst 5 und 6 wird
ein Zwischenprodukt mit 1 bezeichnet und schematisch im
Querschnitt gezeigt, und eine Metallplatte für Brennstoffzellen wird mit 2 bezeichnet.
Die Platte 2, die im wesentlichen quadratisch ist, besteht
aus einem mittleren Feld 3, das den Hauptteil der Plattenoberfläche einnimmt,
und Randabschnitten 4, die breit im Vergleich zur Dicke
der Platte sind und das ganze Feld 3 als einen Rahmen umgeben.
Die Randabschnitte 4 weisen flache breite Oberflächen 5, 6 auf.
Die Außenseiten
werden mit 7 bezeichnet. Das mittlere Feld 3 gemäß der Ausführungsform
ist auf beiden Seiten Hochrelief-gemustert (auch einseitiges Hochrelief-bemustern
kann in manchen Fällen in
Frage kommen) und zeigt abwechselnd Zungen 8 und Rillen 9.
Die Zungen und Rillen 8, 9 auf der oberen Seite
gemäß der Ausführungsform
sind rechtwinklig oder nahezu rechtwinklig zu den Zungen und Rillen
auf der Unterseite. Zwischen den Rillen 9, d.h. zwischen
den beiden Seiten der Platte, befindet sich ein dünnes Netz 10.
Die Spitzen der Zungen 8 gemäß der Ausführungsform sind auf einer Höhe mit den
breiten Oberflächen 5, 6 der
Randabschnitte.
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Das
Zwischenprodukt 1 besteht aus einem mittleren, ersten Abschnitt 11,
der in dem fertigen Produkt das Hochrelief-gemusterte Feld 3 bilden
soll, und aus um diesen ersten Abschnitt 11 umlaufenden Abschnitten 12,
die die umlaufenden Abschnitte oder den Rahmen 4 der fertigen
Platte 2 bilden sollen.
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Das
Ziel der Herstellung des Zwischenprodukt 1 ist es, ein
verfestigtes und im wesentlichen homogenes Zwischenprodukt zu formen,
dessen mittlerer Abschnitt 11 die Metallmenge beinhaltet,
die das Hochrelief-gemusterte mittlere Feld 3 des fertigen Produkts 2 bilden
soll. Möglicherweise
kann ein sehr kleiner Überschuss
an Metall in dem mittleren Abschnitt 1 zugelassen werden,
der gemäß der Ausführungsform
völlig
flach ist. Auch die Seitenabschnitte 12 des Zwischenprodukts 1 sollen
die Metallmenge beinhalten, die in den äußeren Abschnitten 4 des Endprodukts 2 vorhanden
sein sollen. Ein gewisser Überschuss
an Metall in den Abschnitten 12 kann zugelassen werden,
wenn das abschließende
Formen des Produkts 2 so durchgeführt wird, dass bewirkt wird,
dass der Überschuss
ausfließen
kann, um einen „Grat" oder entsprechendes
zu bilden, der in einem Entgratungsvorgang (skegging) nach dem beendeten
Pressformen entfernt werden kann.
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Die
in 1 und 2 gezeigten Werkzeugteile können für die Herstellung
des Zwischenprodukts 1 verwendet werden. Die drei Formwerkzeugteile
bestehen aus einem Gegenstempel 20, einem Stempel 21 und
einer Pressform 22. Die letztere ist im Querschnitt gezeigt.
Die Pressform umschließt den
oberen Teil des Gegenstempels 20 dicht und dient außerdem als
Führung
für den
Stempel 21 während
des Betriebs des Stempels. Die einander gegenüberliegenden Oberflächen des
Gegenstempels 21 und des Stempels 20 können gleiche
Gravuren 23 haben, die so ausgelegt sind, dass die beiden
breiten Seiten des Zwischenprodukts deckungsgleiche Nachbildungen
der Gravuren 23 sind. Dies bedeutet anders gesagt, dass
der Gegenstempel 20 und der Stempel 21 einen flachen
mittleren Abschnitt 24 haben können, um den mittleren Abschnitt 11 des
Zwischenprodukts zu bilden, und eine umlaufende Vertiefung 25,
um den Rahmen 12 des Zwischenprodukts 1 zu bilden.
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Wenn
das Zwischenprodukt 1 hergestellt werden soll, wird eine
exakt abgemessene Menge von Metall- und/oder keramischem Pulver
in den Zwischenraum 26 gefüllt, der durch die Pressform 22 und
den Gegenstempel 20 bestimmt ist, wobei der Gegenstempel 20 in
dem Zwischenraum einen Boden bildet und die Pressform 22 eine
Wand bildet. Alternativ kann eine flache Platte als Ausgangsmaterial für die Herstellung
des Zwischenprodukts 1 verwendet werden. Auch eine solche
Platte soll die selbe Materialmenge wie im erwünschten Zwischenprodukt 1 enthalten
und hat vorzugsweise eine äußere Form, die
der Form der Pressform 22 entspricht. Egal, ob Pulver oder
Festkörper
als Ausgangsmaterial verwendet wird, kann es geeignet sein, dieses
vor dem Formvorgang vorzuwärmen,
wie in der anfänglichen Offenbarung
der Erfindung erwähnt
wurde.
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Der
Gegenstempel 20 und die Pressform 22 werden in
einem nicht gezeigten Werkzeuggehäuse bereitgestellt, welches
auf einem beweglichen oder festen Amboss untergebracht ist. Der
Stempel 21 wird so weit in das Loch in der Pressform 22 abgesenkt,
dass er das Pulver bzw. die homogene Platte berührt. Im Fall eines Pulvers
wird der Stempel 21 mit einiger Kraft gegen das Pulver
gedrückt,
so dass die Pulverkörner
einem leichten Druck ausgesetzt sind, damit sie sich für das Erzielen
einer gewissen dichten Packung des Pulverbetts in der Formhöhlung ausrichten,
welche durch die beiden Gravuren 23 und die Pressform 22 festgelegt
ist. Dann wird ein Kolben, d.h. ein Schlagkolben in einer Aufschlagmaschine, mit
sehr hoher kinetischer Energie gegen die obere Seite des Stempels 21 gestoßen, geeigneterweise über einen
Aufschlagkörper,
der an dem Stempel aufliegt und die Aufschlagenergie des Kolbens
auf den Stempel überträgt. Die
sehr hohe Aufschlagenergie wird auf das Pulver in der Formhöhlung übertragen, so
dass die Pulverkörner
plastifizieren und das plastifizierte Pulver in wenigen Mikrosekunden
einen verfestigten Körper
bildet, der die erwünschte
Form des Zwischenprodukts 1 hat. Während dieses Formens mit hoher
kinetischer Energie kann ein gewisser Fluss des während des
Aufschlags plastifizierten Materials zwischen den Abschnitten 11 und 12 auftreten.
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Der
Stempel 21 wird dann wieder angehoben, und das gebildete
Zwischenprodukt 1 wird aus der Pressform 22 gedrückt, geeigneterweise
durch eine relative Bewegung zwischen der Pressform 22 und
dem Gegenstempel 20.
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Für den Fall,
dass das Gegenschlagprinzip angewendet wird, gemäß der Offenbarung irgendeiner
der schwedischen Patentanmeldungen 0001558-6 oder 00020305, wobei
der Gegenstempel 20 nach oben in die Pressform gestoßen wird
synchron dazu, dass der Stempel 21 nach unten gestoßen wird,
und mit der gleichen Stoßkraft
der beweglichen Teile, wird die Formarbeit insofern effektiver erbracht,
dass die kinetischen Energien zu einem höheren Grad auf das zu formende
Produkt übertragen werden
als in dem Fall, wenn der Gegenstempel 20 unbeweglich ist.
In diesem Fall müssen
die Geschwindigkeiten nicht so groß sein, wie wenn nur der Stempel
einem Aufschlagvorgang unterworfen wird. Bei Verwendung des Gegenschlagprinzips
werden die beweglichen Teile daher beschleunigt, um eine hinreichende
kinetische Energie zu erhalten, die nicht notwendigerweise extrem
hoch sein muss.
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Um
sicherzustellen, dass das Zwischenprodukt 1 vollständig verfestigt
ist, sollte es vor dem abschließenden
Formen des Endprodukts 2 gesintert werden. Dies ist besonders
wichtig, wenn das Zwischenprodukt nicht durch die Zuführung einer
sehr hohen kinetischen Energie geformt wird, was einen Druckpuls
großer
Stärke
und kurzer Dauer erzeugt, sondern durch ein eher herkömmliches
Pressformen, was eine kleinere Kraft an einen Rohling liefert.
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Die
Formwerkzeugteile zum Formen der fertigen Platte 2 sind
auf die gleiche Weise ausgelegt wie die Werkzeugteile zur Herstellung
des Zwischenprodukts 1 und umfassen einen Gegenstempel 30, einen
Stempel 31 und eine Pressform 32, wobei der Gegenstempel 30 und
der Stempel 31 Gravuren 33 haben, die deckungsgleich
mit den breiten Seiten des fertigen Produkts 1 sind. Damit
weist zum Beispiel die Gravur des Gegenstempels 30 einen
mittleren Abschnitt 34 mit Vorsprüngen auf, die die Rillen 9 des Hochrelief-Musters
des mittleren Felds 3 der fertigen Metallplatte 3 bilden
sollen, wobei die Rillen einen oder mehrere Kanäle bzw. Durchgänge in der
Platte bilden sollen, und Vertiefungen, die die Zungen 8 zwischen
den Vertiefungen/Kanälen 9 bilden
sollen. Um diesen profilierten mittleren Abschnitt 35 herum
befindet sich ein umlaufender Abschnitt 35, der flach und
auf gleicher Höhe
mit dem Boden der Vertiefungen des mittleren Abschnitts 34 ist,
so dass die beiden flachen Seiten 5, 6 des umlaufenden Randabschnitts 4 auf
gleicher Höhe
mit den Spitzen der Zungen 8 der fertigen Platte 2 sind.
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Das
Zwischenprodukt 1 wird auf dem Gegenstempel 30 in
dem Zwischenraum 36 in der Pressform 32 platziert.
Der Stempel 31 wird abgesenkt, um auf dem Zwischenprodukt 1 aufzuliegen.
Möglicherweise
wird das Zwischenprodukt 1 vorgewärmt, bevor ein Aufschlagelement
mit einer sehr hohen kinetischen Energie gegen die Oberseite des
Stempels 31 gestoßen
wird. Die Aufschlagenergie wird auf das Zwischenprodukt 1 übertragen,
welches plastifiziert wird. Das Material in dem mittleren Abschnitt 11 fließt aus,
um die Zungen 8 und Rillen 9 zu bilden, d.h. die Hochrelief-Prägung des
Bereichs des mittleren Felds 3. Gleichzeitig werden auch
die Randabschnitte 4 in ihre endgültige Form gebracht, und wenn
es nötig
ist, werden Poren in dem Material beseitigt, so dass die fertige
Platte 3 sehr dicht ist. Während dieses abschließenden Formvorgangs
findet kein wesentlicher Materialtransport zwischen dem mittleren
Abschnitt 11 und den Randabschnitten 12 statt.
Es kann zugelassen werden, dass jeder mögliche Materialüberschuss
in den Randabschnitten 12, 5, über die von
der Pressform 32 gebildeten Endseiten 7 ausfließt, welche
mit nicht gezeigten Aussparungen für solchen minimalen Metallfluss
versehen sein kann. Der „Grat", der damit in sehr
kleinem Ausmaß gebildet
werden kann, kann in einem abschließenden Entgratungsvorgang (skegging)
entfernt werden, wenn die geformte Platte 2 aus dem Werkzeug
ausgestoßen
wurde. Auch in Verbindung mit diesem abschließenden Formvorgang kann das
vorstehend erwähnte Gegenschlagprinzip
angewendet werden, d.h. dass der Stempel 31 und der Gegenstempel 30 gleichzeitig
mit gleicher Stoßkraft
gegeneinander gestoßen werden,
wobei die Geschwindigkeiten der beweglichen Werkzeugteile nicht
so groß sein
müssen,
wie wenn der Stempel 31 gegen eine unbewegliche Gegen-Pressform
gestoßen
wird, jedoch hinreichend sein müssen,
um das erwünschte
Plastifizieren des Zwischenprodukts zu erreichen, so dass das Material in
dem mittleren Abschnitt 11 ausfließt, um die Zungen 8 und
Rillen 9 zu bilden, d.h. das Hochrelief-Muster im Bereich
des mittleren Felds 3.