Schweißen von Bipolarplatten

Daniel Schilling,

Produktiver schweißen für Wasserstoff-Brennstoffzellen

Scanlab entwickelt gemeinsam mit den Schwesterfirmen Blackbird Robotersysteme und Holo/Or einen neuen Systemaufbau, der die Produktivität beim Schweißen von Bipolarplatten für Wasserstoff-Brennstoffzellen verdoppeln könnte.

Das neue System könnte die Produktivität beim Schweißen von Bipolarplatten für Wasserstoff-Brennstoffzellen verdoppeln. © Scanlab

Die Brennstoffzellen-Technologie wurde lange als Nischenmarkt eingeschätzt. Inzwischen ist die Nachfrage spürbar gestiegen, für eine effiziente Massenfertigung muss jedoch der Durchsatz beim Schweißen metallischer Bipolarplatten, die den Stack einer Brennstoffzelle bilden, gesteigert werden. Hohe Schweißgeschwindigkeiten erfordern schnelle Scan-Systeme sowie Hochleistungslaser, beides ist heute verfügbar. Doch ausschlaggebend für die erreichbare Geschwindigkeit ist der Schweißprozess an sich. Häufig treten Fehler in Schweißnähten, wie „Humping-Effekte“ und Einbrandkerben auf, sobald eine gewisse Geschwindigkeit überschritten wird.

Blackbird Robotersysteme hat in einem Testaufbau den Intelliscan-2D-Scan-Kopf des Flexishaper integriert. Flexishaper, ein über den gesamten Leistungsbereich einstellbarer Strahlformer, ist die neueste Entwicklung von Scanlab und Holo/Or. Die Bestimmung der notwendigen Strahlformung wurde mithilfe einer Prozesssimulation ermittelt. Die Auslegung des eingesetzten Strahlformers ist das Ergebnis eines kombinierten optischen Designs, das diffraktive optische Elemente (DOE) mit einem Scan-System verbindet. Die Applikationsversuche erlaubten das Verschieben des Geschwindigkeitslimits für fehlerfreies Schweißen von 45 m/min auf bis zu 70 m/min.

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Hohe Anforderungen an den Prozess

Das Schweißen dünner Bleche für Bipolarplatten stellt ähnliche Anforderungen an den Bearbeitungsprozess wie das Laser-Pulverbettschweißen (LPBF). Beide Verfahren erfordern ein Scanner-Bildfeld von bis zu 500 x 500 mm² sowie eine typische Prozessgeschwindigkeit von rund 1 m/s und darunter. Auch beim Verfahren für Metall-3D-Druck wird die Bearbeitungsgeschwindigkeit nicht vom Scan-System oder der Laserleistung limitiert, sondern der Prozess an sich setzt die Grenzen für den Durchsatz. Daher sind die erfreulichen Laserschweiß-Ergebnisse der erste Schritt auch auf dem Weg zur Optimierung von LPBF-Prozessen.

Die nächsten Schritte bestehen darin, das Konzept des Laserschweißens in einem größeren Maßstab zu testen und verschiedene Applikationen parallel zu verfolgen. Scanlabs Fibersys ist gerade auf die Anforderungen beider Verfahren, LPBF und Schweißprozesse, ausgerichtet. Daher wurde die Integration von DOEs genau in dieses Scan-System, speziell für den Einsatz in Multi-Kopf-Maschinen konzipiert, in die Entwicklungs-Roadmap mit aufgenommen.

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