Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen und dabei insbesondere die Herstellung von Bipolarplatten für elektrochemische Zellen oder Wärmetauscherelementen.

Die Erfindung kann für das Fügen von plattenförmigen Bauteilen eingesetzt werden, bei den eine sequentielle oder kontinuierliche Bereitstellung der ebenen oder bereits umgeformten Halbzeuge in Bandform möglich oder denkbar ist und komplexe Schweißnahtgeometrien in der Verbindungsebene zwischen den beiden Fügepartnern hergestellt werden müssen. Das Anwen dungsgebiet mit dem höchsten Potential ist die Fertigung von Bipolarplatten für Brennstoffzellen oder Wärmetauscherplatten mit komplexen und filigra nen zweidimensionalen Schweißnahtgeometrien. Es wäre auch denkbar mit Hilfe des Verfahrens unbearbeitete ebene Blech- oder Folienbänder mit einer

Schweißnahtstruktur zu versehen um die so verbunden und vorbereiteten Halbzeuge einer anschließenden Wirkmedienumformung (z.B. Innenhoch- druckumformung) zuzuführen.

Das stoffschlüssige Fügen von plattenförmigen sehr dünnen metallischen Bau teilen mit zweidimensionalen, häufig sehr komplexen Verbindungsgeometrien stellt sowohl unter technischen als auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunk ten ein Problem dar.

Solche Bauteile sind z.B. Bipolarplatten für Brennstoffzellen oder Platten für Wärmetauscher. Solche metallischen Bauteile (Kathoden- und Anodenseite) weisen Blechdicken: < 0,1 mm, mit der Tendenz diese Blechdicken weiter zu verringern, auf.

Wegen der Anforderungen an solche Bipolarplatten bezüglich z.B. der hohen elektrischen Leitfähigkeit und hohen Korrosionsbeständigkeit werden solche Bauteile in der Regel aufwendig an ihren Oberflächen beschichtet. Die Be schichtungen können Kohlenstoffschichten auf Edelstahl (nichtrostendem Stahl) oder auch Goldschichten sein. Solche Schichten werden bei besonderen Atmosphärenbedingungen, u.a. auch im Vakuum hergestellt.

Ein typisches Verfahren zur Herstellung solcher Bauteile aus umgeformten (geprägt, strukturierten) Halbzeugen ist das Laserschweißen der einzelnen Halbzeuge (in der Regel 2 spiegelbildlich strukturierten, übereinander geleg ter, Plattenpaare) in Schweißvorrichtungen. Dabei werden üblicherweise zwei Platten übereinander gelegt und miteinander verschweißt. Dabei wird ein Laserstrahl senkrecht zu den Plattenebenen auf ein Halbzeug gerichtet und dabei beide Partner werden mit einer Schweißnaht verbunden.

Das Laserstrahlschweißen erreicht als Verbindungstechnologie dabei für sol che Bauteile physikalische Grenzen:

Um die dünnen Metallplatten oder -folien Poren(Loch)frei zu verschweißen, ist ein technischer Nullspalt erforderlich. In der Regel wird dafür 1/10 der Blechdicke als Maximalwert empfohlen. Das bedeutet für Blech(folien)dicken von 0,1 mm eine Größenordnung von 10 pm Maximalspalt zwischen den Foli en. Bei der doch verhältnismäßig großen Bauteilfläche und der großen Anzahl der Nähte und Nahtlängen, die aber ausschließlich dicht verschweißt werden müssen, erscheint die technische Herausforderung zunehmend schwieriger erfüllbar. Weiterhin behindern die o.g. Beschichtungen die Schweißtechnologie und erzeugen Imperfektionen im Prozess.

Die Eigenschaften der Bauteile so verschweißten werden auch dadurch ver schlechtert, dass die Beschichtungen in den Bereichen der Schweißnaht ver brannt oder anderweitig negativ beeinträchtigt werden.

Weiterhin ist prozesstechnisch die maximale Schweißgeschwindigkeit bei den aktuell angewendeten Verfahrensvarianten durch bestimmte physikalische Effekte (z.B. Humpingeffekt) beschränkt.

Unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten sind die aktuell realisierten Lösungen für das Fügen zu langsam, um eine kosteneffiziente Fertigung zu ermöglichen. Ursachen sind die prozesstechnisch begrenzte Schweißgeschwindigkeit und die langen Nebenzeiten (Einlegen und Spannen in Schweißvorrichtung, Tei lentnahme nach dem Schweißen) pro Bauteil, was in Summe zu langen Ferti gungszeiten und damit zu hohen Kosten führt. Aber insbesondere bereitet der qualitätssensitive Gesamtprozess Probleme.

Auch wenn verschiedene Fügeverfahren genannt werden, gehen alle bekann ten Lösungen davon aus, dass das Fügen der beiden Teilplatten in separaten Vorrichtungen und/oder in einer sequentiellen getakteten Fertigungslinie durchgeführt wird. D.h. jede Bipolarplatte wird aus zwei einzelnen platten förmigen Elementen, die zusammen in einer speziellen Schweißvorrichtung gespannt und positioniert werden, hergestellt.

In der industriellen Praxis wird als Schweißverfahren hauptsächlich das Laser strahlschweißen eingesetzt. Der Laserstrahl trifft dabei von einer Seite auf die Blechoberfläche eines plattenförmigen Elements und bildet dabei eine I-Naht am Überlappstoß aus. Die Schweißgeschwindigkeit ist dabei infolge prozess technischer Grenzen nicht beliebig steigerbar, so dass die Fertigungsge schwindigkeit durch den Schweißprozess limitiert wird. Des Weiteren erfor dert diese Verfahrensführung ein sehr genaues spaltfreies Spannen aller zu fügenden Bereiche der beiden plattenförmigen Elemente, was in der Praxis nur mit großem Aufwand zu erreichen ist. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Produktivität bei der insbesondere fluiddichten und stoffschlüssigen Verbindung dünner plattenförmiger Elemen te sowie die Qualität der so hergestellten Bauteile zu erhöhen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiter bildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeich- neten Merkmalen realisiert werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden zwei übereinander angeord nete metallische plattenförmige Elemente mit jeweils einer maximalen Dicke von 0,5 mm, bevorzugt < 0,1 mm fluiddicht und stoffschlüssig an ihren äuße ren Randbereichen miteinander verbunden. Die stoffschlüssige Verbindung der plattenförmigen Elemente wird dabei unter Einhaltung von Vakuumbe dingungen (< 300 mbar) durch eine Bestrahlung mit mindestens einem Elekt ronenstrahl ausgebildet. Die stoffschlüssige Verbindung kann aber auch allein oder zusätzlich mit einem Pressschweißverfahren ausgebildet werden. Die Umgebungsbedingungen für die Pressschweißtechnologie können sich ande ren Randbedingungen anpassen, unterliegen aber keiner spezifischen Restrik tion. Die stoffschlüssige Verbindung sollte dabei umlaufend um den äußeren Randbereich des entsprechenden Bauteils ausgebildet werden, so dass zwi schen den plattenförmigen Elementen ein geschlossener Hohlraum vorhan den sein kann.

Vorteilhaft können die plattenförmigen Elemente von einer Rolle bevorzugt kontinuierlich einem Bearbeitungsbereich, in dem die stoffschlüssige Verbin dung ausgebildet wird, in einen Spalt zwischen zwei Walzen oder zwei Press schweißwerkzeuge zugeführt und die stoffschlüssige Verbindung kontinuier lich ausgebildet werden. Dabei bedeutet kontinuierlich auch die Förderung der plattenförmigen Elemente. Nach der Ausbildung der stoffschlüssigen Ver bindung und ggf. der Ausbildung einer Beschichtung kann eine Vereinzelung mittels eines herkömmlichen Trennverfahrens durchgeführt werden.

Der mindestens eine Elektronenstrahl kann in den Spalt zwischen zwei dem Bearbeitungsbereich zugeführten plattenförmigen Elementen gerichtet und dabei ausgelenkt werden, um die stoffschlüssige Verbindung auszubilden. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die plattenförmigen Elemente in einem spitzen Winkel zueinander geneigt in den Walzenspalt eingeführt werden und der mindestens eine Elektronenstrahl in Vorschubbewegungsrichtung der platten förmigen Elemente von hinten in den Spalt auf Oberflächenbereiche der plat tenförmigen Elemente gerichtet wird.

Bei der Erfindung kann ein Pressschweißverfahren durchgeführt werden, das ohne zusätzliche, bevorzugt aber mittels Erwärmung durch Widerstandser wärmung, Induktionserwärmung und/oder Erwärmung durch Strahlen erfolgt. Dabei können Prozesse der Diffusion, ähnlich dem Diffusionsschweißen eine Rolle spielen.

Vorteilhaft kann dabei auch eine Umformung der plattenförmigen Elemente im Bereich der auszubildenden stoffschlüssigen Verbindung durchgeführt werden. Die Umformung kann mit entsprechend konturierten Oberflächen der eingesetzten Werkzeuge ausgebildet werden. So kann beispielsweise die Oberfläche einer Walze im Bereich, in dem die stoffschlüssige Verbindung ausgebildet werden soll eine über den Umfang umlaufende Erhebung, insbe sondere eine Erhebung mit dreieckigem oder konvex gebogenem Querschnitt und komplementär dazu an der Oberfläche einer zweiten Walze eine entspre chende Vertiefung ausgebildet worden sein. Dabei werden die plattenförmi gen Elemente durch den Spalt zwischen den Walzen als Werkzeuge für ein Pressschweißverfahren hindurchgeführt und umgeformt.

Vor und/oder während der Durchführung des Pressschweißverfahrens kann eine Erwärmung der plattenförmigen Elemente durch elektrische Wider standsheizung, mittels elektrischer Induktion oder durch Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung durchgeführt werden. Dabei sollte die die Schmelztemperatur des metallischen Werkstoffs der plattenförmigen Elemen te nicht erreicht und insbesondere nicht überschritten werden.

Vor oder während der Ausbildung der stoffschlüssigen Verbindung kann eine Umformung der plattenförmigen Elemente in Bereichen der plattenförmigen Elemente, die nicht miteinander stoffschlüssig verbunden werden, bevorzugt mit mindestens einer an der Oberfläche konturierten Walze und einer Ge genwalze durchgeführt werden. Dadurch lässt sich die Oberfläche zwischen den miteinander verbundenen plattenförmigen Elementen vergrößern bzw. es lassen sich Strömungskanäle ausbilden, die insbesondere bei Bipolarplatten für eine Zuführung und Verteilung von Brennstoff oder Oxidationsmittel nut zen lassen.

Im Anschluss an die Ausbildung der stoffschlüssigen Verbindung kann eine Beschichtung an den nach außen weisenden Oberflächen der miteinander verbundenen plattenförmigen Elemente und im Anschluss daran eine Verein zelung hergestellter Bauteile mit einem Trennverfahren durchgeführt werden. Mit einer Beschichtung kann man die elektrische Leitfähigkeit erhöhen und ggf. auch die Korrosionsbeständigkeit verbessern.

Vorteilhaft kann eine Beschichtung, die mit Kohlenstoff gebildet ist, unter Va kuumbedingungen ausgebildet werden. Die Beschichtung kann dabei mit ei nem CVD- oder PVD-Verfahren erhalten werden, wobei die Beschichtung mit sp2 und/sp3 hybridisiertem Kohlenstoff in an sich bekannter Weise ausgebil det werden kann.

Die stoffschlüssige Verbindung und besonders vorteilhaft nachfolgend daran kann dann die Beschichtung in derselben Vakuumanlage bzw. -kammer aus gebildet werden. Dadurch kann auf zusätzlichen Aufwand, wie z.B. zusätzliche Schleusen und Unterdruckerzeuger verzichtet werden. Es sollte lediglich gesi chert sein, dass der Beschichtungsprozess vom Fügeprozess unbeeinflusst bleibt. Dies kann beispielsweise mit einer entsprechenden Anordnung der Elemente in der Vakuumkammer, die zur Ausbildung der Beschichtung dienen und der Beachtung der Auslenkbewegung eines Elektronenstrahls in Richtung auf zu fügende Oberflächenbereiche der plattenförmigen Elemente berück sichtigt werden. Ggf. kann auch eine Blende in der Vakuumkammer dazu die nen, dass Beschichtungswerkstoff nicht in den Bearbeitungsbereich, in dem die stoffschlüssige Verbindung ausgebildet wird, gelangen kann.

Für die Fertigung von sehr großen Stückzahlen ist die erforderliche Zeit für die Bearbeitung nach dem Stand der Technik zu groß. Die Erfindung beschreibt eine Lösung für ein Fügeverfahren, welche das Verschweißen der beiden Teil platten in einer kontinuierlichen Prozesskette vom Band/Coil mit sehr hohen Fügegeschwindigkeiten ermöglicht. Drei fügetechnische Technologierouten bilden für die o.g. Problemstellungen den Lösungsansatz:

• Schmelzschweißtechnologien mit hochenergetisch fokus sierten Strahlen (wie insbesondere Elektronenstrahlschweißen) im Va kuum

• Pressschweißtechnologien sowie

• eine Kombination aus beiden vorgenannten Technologien

Folgende Basisgedanken liegen den Lösungsansätzen der Erfindung zugrunde:

• Elektronstrahlschweißen im Vakuum ermöglicht Prozess bedingungen für Bauteile mit größter Sensitivität. Es kann ein sehr ge bündelter Elektronenstrahl eingesetzt werden, der in seinen Aspekt verhältnissen zur Dicke der plattenförmigen Elemente (de-Broglie- Wellenlänge: < IO ⁹ m-Bereich / Dicke der plattenförmigen Elemente: 100 pm) wieder ein akzeptables Verhältnis bietet.

• Das Vakuum selbst bietet bezüglich Oberflächenschich ten, aber auch Verunreinigungen, ein Potenzial für „selbstreinigende" Effekte und schützt den Schweißprozess vor einer Interaktion mit mög lichen Atmosphäreneinflüssen.

• Die Beschichtungsprozesse für metallische Bipolarplatten finden überwiegend im Vakuum statt. Deshalb ist es vorteilhaft, den Schweißprozess auch im Vakuum zu realisieren. Dabei bildet ein gro ßes Potenzial, wenn die Prozessschritte bzw. Bearbeitungsbereiche so angeordnet werden, dass der Beschichtungsprozess nach dem Schwei ßen erfolgen kann. Dadurch wird der Schweißprozess nicht durch die Beschichtung beeinflusst. Die Schweißnahtoberflächen können so auch beschichtet werden und somit hat die Bipolarplatte auch in Bereichen einer Schweißnaht als stoffschlüssige Verbindung einen vergleichbaren Korrosionsschutz und eine vergleichbare elektrische Leitfähigkeit mit den anderen Bereichen des Bauteils.

Da Schmelzschweißprozesse in diesem geringen Blech(Folien)dickenbereichen immer ein begrenztes technologisches Potential haben werden, können die Verschweißungen auch kombiniert oder auch ausschließlich mit Press schweißverfahren erreicht werden. Dabei muss der Schweißprozess nicht un bedingt die Schmelztemperatur der Grundwerkstoffbereiche erreichen. Mög lich sind technologische Verfahrensvarianten, wie Widerstandsschweißverfah- ren (Rollnahtschweißen).

• Auch andere Pressschweißtechnologien, wie das Kalt pressschweißen oder Diffusionsschweißen, bieten Vorteile. Dabei kön- nen die verschiedenen Technologievarianten durch einen Erwär mungsprozess unterstützt werden. Unterschieden können dabei direk te Erwärmungsverfahren, wie die elektrische Widerstandserwärmung oder indirekte Erwärmungsverfahren, wie die Induktionserwärmung oder die Erwärmung mittels Strahlen (elektromagnetischer Wellen verschiedener Wellenlänge).