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Reproduzierbar Hochleistungsschweißen von Bipolarplatten

Ein Gastbeitrag von Barbara Stumpp 4 min Lesedauer

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LASERVORM GmbH
KOHLER Maschinenbau GmbH
Weil Technology GmbH
technotrans SE

Reproduzierbares, schnelles Laserschweißen von Bipolarplatten hilft die Herstellungskosten für Brennstoffzellen zu senken. Ein Baustein hierfür ist die LV-Tracing-Technologie von Laservorm, die aufzeichnet an welcher Stelle des Bauteils welche Parameter eingewirkt haben.

Beim Schweißen von Bipolarplatten müssen 50 µm-dicke Folien reproduzierbar dicht und präzise verschweißt werden, mit einer Positioniergenauigkeit von weniger als 1/10 Millimeter bei Plattengrößen von etwa 340 x 130 Millimeter.(Bild: Laservorm)
Beim Schweißen von Bipolarplatten müssen 50 µm-dicke Folien reproduzierbar dicht und präzise verschweißt werden, mit einer Positioniergenauigkeit von weniger als 1/10 Millimeter bei Plattengrößen von etwa 340 x 130 Millimeter.
(Bild: Laservorm)

Der Schwerlastverkehr verursacht rund 25 Prozent der CO2-Emissionen des Verkehrssektors und die sollen laut EU-Verordnung ab 2025 um 15 Prozent und ab 2030 um 30 Prozent gesenkt werden. In einer Brennstoffzelle reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff aus der Luft zu Wasser, elektrischer Energie und Wärme. Das erlaubt CO2-freies Fahren mit großer Reichweite und schnellem Betanken. Deshalb werden Brennstoffzellen immer interessanter für Busse und Schwerlastverkehr.

Eine Brennstoffzelle besteht aus gestapelten Membran-Elektroden-Packs. Zwischen diesen Einheiten befinden sich Bipolarplatten, die die nötigen Reaktionsgase zu- und das entstehende Wasser ableiten.

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Besonders das Design der Bipolarplatten mit ihrer aufwändigen Strömungstechnik, engen Toleranzen beim Umformen und hohen Anforderungen an das Verschweißen der Halbschalen, ist problematisch. Beim Schweißen müssen 50 µm-dicke Folien reproduzierbar dicht und präzise verschweißt werden. Die verlangte Positioniergenauigkeit von weniger als 1/10 Millimeter bei Plattengrößen von etwa 340 x 130 Millimeter ist eine weitere Herausforderung. Darüber hinaus dürfen sich Bipolarplatten nach dem Schweißen nicht werfen und müssen vollkommen dicht sein.

Ziel Großserienproduktion

Aber Brennstoffzellen und viele ihrer Teile entstehen unter teilweise manufakturähnlichen Bedingungen, was sie unnötig teuer macht. Schließlich besteht ein Brennstoffzellenstack für 100 bis 150 Kiowatt aus 350 bis 500 Zellen und Bipolarplatten verursachen dabei bis zu 45 Prozent der Produktionskosten.

Dr. Ludwig Jörissen, Leiter der Brennstoffzellen-Forschung am ZSW in Ulm, weiß: „Es ist jetzt Zeit, großserientaugliche Fertigungsverfahren zu erforschen, so dass Brennstoffzellen in nennenswerten Stückzahlen auf die Straße kommen.“ Er schätzt, dass momentan Fertigungstechnologien für Brennstoffzellen von ca. 10.000 Stück/Jahr/Standard möglich wären. „Leider fehlen u.a. noch schnelle Inline-Mess- und Prüfverfahren, die es erlauben, Anforderungen für eine robuste und fehlerfreie Herstellung zu definieren und umzusetzen, um eine Großserienproduktion zu ermöglichen“, bedauert Ludwig Jörissen.

Gesucht werden nun preisgünstige Herstellungsverfahren, die hohe Stückzahlen in kurzer Zeit erlauben.

Prozess genau überwachen

Damit eine Laseranlage feine Strukturen mit bis zu 1 Meter pro Sekunde schweißen kann, müssen die Parameter stimmen. Das neue Tool liefert dazu die Daten indem es den Prozess genau überwacht und feststellt, wie sich veränderte Parameter auf das Schweißergebnis auswirken. Das Besondere des Systems ist, dass die dazugehörigen Werkstückkoordinaten ebenfalls erfasst werden.

Durch das Hochleistungstracing und weiterer hauseigener Technologien, wie den LV Spin Scan lassen sich beim Schweißprozess der Bipolarplatten Bahnverlauf, Geschwindigkeiten und Streckenenergie optimal aufeinander abstimmen, für qualitativ hochwertige Ergebnisse bzgl. Dichtheit, thermischer und mechanischer Belastbarkeit.

„Dieses Tracing ist bei Laservorm nicht komplett neu. Neu ist, dass der Benutzer selbst festlegen kann, welche Parameter zu welchem Zeitpunkt mitgeschrieben werden und dass diese Parameter ortsbezogen dokumentiert werden. Dies war vorher nur durch unseren Maschineneinrichter möglich und konnte vor Ort nicht einfach neu festgelegt werden“, freut sich Thomas Kimme, Geschäftsführer von Laservorm.

In die Steuerung integriert

Die Technologie ist unmittelbar in die Steuerung integriert und macht einen externen Datenlogger überflüssig. Das neue Verfahren sammelt und speichert zuverlässig alle Prozessdaten aus dem Laserprozess in Zeitintervallen von bis zu 800μs. Das System erfasst u.a. Laserleistung, Vorschub und Position des Laserkopfes, plus die genauen Koordinaten des Flecks, wo der Laserstrahl das Bauteil traf. So lassen sich bei Qualitätsproblemen die Fehler exakt bestimmen und die ermittelten Daten bilden die Grundlage für eine zukünftiges KI- basiertes Steuern der Prozesse.

Die LV-Tracing-Technologie besteht aus zwei Softwarekomponenten. Der LV-Tracing-Client ist direkt in die Steuerung integriert und gestattet das Auslesen der Werte aller an der Steuerung angeschlossenen Komponenten. Der LV Trace Server zeichnet die Tracingdaten auf. Dieses System kann sowohl in die Anlage integriert werden, als auch extern arbeiten. Das LV Tracing ist eine Entwicklung von Laservorm und entsprechend optimal auf die eigenen Anlagen abgestimmt. „Das garantiert die hohe Leistung und der entsprechend hohe Datendurchsatz gestattet ein verzögerungsfreies Aufzeichnen der Tracingdaten auch bei sehr komplexen, schnellen Laserprozessen“, weiß Kimme.

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Die Tracingdaten werden unabhängig vom jeweiligen System z. B. in einer csv­Datei ausgegeben, zur Weiterverarbeitung im jeweiligen Unternehmen mit Werkzeugen wie Knime, Matlab oder Scilab oder über cloudbasierte KI­Analyseplattformen.

Dokumentation von Regeleingriffen

Bei adaptiv arbeitenden Prozessen lässt sich über die unterschiedlichen Messwerte die Bearbeitung jedes Bauteils individuell anpassen. Dank koordinatenbezogenem Aufzeichnen der Daten lassen sich mögliche Tendenzen und schleichende Fehler und deren Ursachen frühzeitig erkennen. So kann man bei der Qualitätskontrolle auch noch Tage später ermitteln, wie jedes Bauteil bearbeitet wurde und warum bei welchem Teil Qualitätsprobleme auftraten. Die Auswertung der µm-genauen Positions­, Zeit­ und Werkstückkoordinaten erlaubt eine präzise Analyse. Damit können Qualitätsmängel wie zu geringe Einschweißtiefen oder undichte Schweißnähte präzise korrigiert und der Prozess zukünftig in Echtzeit optimiert und damit seine Produktivität gesteigert werden.

Damit KI die Steuerungsprozesse lenken kann, braucht sie die Daten in ausreichender Quantität in Echtzeit, was Laservorm beherrscht. Damit hat man eine solide Basis um zukünftig unmittelbar auf Schwankungen in der Produktion reagieren und frühzeitig einer Fehlerentstehung entgegenwirken zu können und das nicht nur bei Bipolarplatten.

Verglichen mit externen Datenloggern bringt LV Tracing deutliche Vereinfachungen und Präzision und einen eindeutigen Bezug der Werte zu den Werkstückkoordinaten.

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