Die vorliegende Erfindung betri f ft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Laserschweißen von metallischen Bauteilen in einem endlos umlaufenden Transportsystem, insbesondere von Bipolarplatten für Brennstof f zellen, beispielsweise im Nutz fahrzeugbau oder von Wärmetauscherplatten . Die Erfindung betri f ft auch die Anwendung des Verfahrens .

In der Automobilindustrie geht der Trend infolge endlicher Erdölreserven und fortschreitender Klimaerwärmung zunehmend in Richtung Reduktion von CO ₂ und Einsatz von alternativen Antrieben . Anstelle von Verbrennungsmotoren kommen bei Personenwagen und LKW vermehrt Elektromotoren mit leistungs fähigen Batterien als Speichermedium zum Einsatz . In Zukunft werden sich aber auch andere Technologien wie beispielsweise Brennstof f zellen etablieren, insbesondere für den LKW-Bereich . Bipolarplatten (BPP ) sind die Hauptbestandteile einer Brennstof f zelle und bestimmen damit maßgeblich die Herstellungskosten und den Wirkungsgrad eines Brennstof f zellensystems . Aufgrund verschiedener Vorteile hinsichtlich der Hersteilbarkeit und der Materialeigenschaften wie Stabilität , geringe Blechdicke und viel fältige Beschichtungsmöglichkeiten rücken die metallischen Aus führungen der Bipolarplatten in den Mittelpunkt der Forschung und Entwicklung und werden aktuell als die favorisierte Variante für zukünftige Großserienanwendungen von Brennstof f zellen gesehen . Ein Brennstof f zellensystem besteht aus einer Viel zahl von Einzel zellen mit j eweils einer BPP zwischen den Zel len, wobei für automobile Anwendungen typischerweise 300 - 400 Bipolarplatten pro System benötigt werden . Aufgrund der hohen Zahl an BPP pro Einzelsystem ist selbst bei moderaten S zenarien zukünftig davon aus zugehen, dass die benötigten Stückzahlen schnell sehr hohe Dimensionen annehmen werden . Diese Heraus forderung kann auch als Chance für Zulieferbetriebe von BPP betrachtet werden . Voraussetzung hierfür ist aber eine wirtschaftliche und leistungs starke Produktionstechnologie . Insbesondere das Schweißen der beiden Bipolarplattenhäl ften zu einer BPP ist aufgrund der Viel zahl von Schweißnähten, der damit verbundenen langen Schweiß zeiten und den hohen Anforderungen an die Schweißnähte bei gleichzeitig sehr schwierigen Prozessbedingungen aufgrund der dünnen Materialien eine zentrale Problemstellung und derzeit noch ein entscheidendes Hindernis für eine kostenef fi ziente Fertigung .

BPP als solche sind aus dem Stand der Technik bekannt . Sie bestehen in der Regel aus zwei Bipolarplattenhäl ften, die zusammengefügt werden . Diese sind in der Regel als geprägte Folien bzw . umgeformte Bleche ausgebildet . Die Bipolarplattenhäl ften liegen aufeinander und werden in der Regel im Überlappungsstoss mittels Laser dichtgeschweißt . Dabei erzeugt der Laser mehrere Meter Schweißnaht und eventuell zusätzliche Schweißpunkte . Alternativ sind auch Verfahren mit Widerstandsschweißen bekannt . Hierzu werden Schweißvorrichtungen verwendet , in denen die Bipolarplattenhäl ften oft mehrmals umgespannt werden müssen, damit eine Dichtkontur und sämtliche Schweißpunkte hergestellt werden können . Um sämtliche Dichtkonturen und Punkte schweißen zu können, muss dabei die zu schweißende Bipolarplatte aus der Spannvorrichtung gelöst und mit einer anderen Klemm- oder Schweißmaskenplatte neu gespannt werden, damit alle Bereiche der zu schweißenden BPP für den Schweißlaser zugänglich sind . Bei der Fertigung bereiten insbesondere umlaufende Dichtkonturen Probleme . Würden solche Dichtkonturen mit dem Laser in einem Schweißvorgang hergestellt , so könnte es sich als schwierig erweisen, im Inneren der Dichtkontur zusätzliche Spannelemente anzuordnen, welche die Bipolarplattenhäl ften im Inneren der umlaufenden Schweißkontur fixieren . Beim Umspannen der Platten besteht die Gefahr, dass die Positionierung nicht mehr übereinstimmt und Schweißpunkte an falschen Stellen gesetzt werden, und dass sich die Bipolarplatten beim Umspannen durch freiwerdende , interne Spannungen verziehen . Zusätzlich kann der gesamte Fertigungsprozess der Bipolarplatte durch das Umspannen der halbfertigen Bipolarplatte stark verzögert werden .

Die Patentschri ft DE102016200387 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte , bei dem der Verzug des Bauteils vergleichsweise gering ist . Das Einbringen von Schweißenergie erfolgt von oben und unten auf die BPP . Die Lage im Raum, bei der dies geschieht , ist nicht beschrieben .

In der WO2018149959 ist eine Spannvorrichtung mit

Klemmhebeln gezeigt . Aus Bild und Text kann geschlossen werden, dass die Orientierung der BPP horizontal ist, d.h. die Fläche liegt horizontal auf einer Grundfläche auf.

Die CN 108637476 A beschreibt eine Vorrichtung zum Schweißen von Bipolarplatten mit einer elektromagnetischen Klemmvorrichtung, wobei die Platten horizontal liegend mit einem Schweißlaser verschweißt werden.

Die CN 107350623 A beschreibt eine Anordnung zum Laserschweißen in der die senkrecht stehenden Werkstücke auf einer rotierenden Plattform fixiert sind und mittels eines Lasers geschweißt werden.

Die EP 3112074 Al beschreibt einen Düsenwechsler zur Montage und Demontage von Düsen in einer Laserbearbeitungsmaschine .

GRÄBENER Maschinentechnik zeigt auf der Homepage eine komplette Fertigungslinie für BPP. Unter https://www.graebener.com/en/cutting-and-welding sind auch zwei Schweißanlagen genauer gezeigt. BPP werden im Stillstand, horizontal liegend geschweißt.

Die Firma SITEC HTTPS : //WWW.SITEC-TECHNOLOGY.DE/ stellt automatisierbare Laserschweißanlagen her, wobei das Schweißen auch hier im Stillstand und in einer horizontalen Ebene erfolgt. Die Europäische Patentschri ft EP3038789 beschreibt ein Verfahren, um in der industriellen Produktion von geschweißten Blechteilen - insbesondere von Tailored Blanks für die Automobilindustrie - die Zyklus zeiten zu erhöhen und damit die Produktionskosten zu senken . Das Verfahren basiert auf einem Transportsystem mit einer fliegenden Optik und hori zontaler Ausrichtung des Werkstücks während des Schweißens und benötigt keine aufwändige Kühlung der heißen Schweißnaht und keine Mittel zum einseitigen Festhalten der Werkstücke mit hoher Kraft auf dem Transportband . Damit kann der negative Einfluss des Platinen-Abstandes auf die Zyklus zeit der Maschine massiv reduziert werden . Insgesamt können mit dem Verfahren die Schweiß-Nebenzeiten reduziert werden .

Bei einem solchen bekannten System mit vertikaler Bewegungsebene kann die rücklaufende Strecke des Transportsystems allerdings nicht für Manipulationen verwendet werden, außer man verschaf ft sich Zugang von der Maschinenunterseite . Da das beschriebene Verfahren nur einen statischen Laserstrahl vorsieht , kann für die Laserbearbeitung nicht quer zur Transportrichtung verfahren werden . Zudem muss die gesamte Laseroptik bewegt werden, was infolge der großen Masse negative Folgen bezügl ich Dynamik, Genauigkeit und Leistungsbedarf nach sich zieht . Da zudem das Verhältnis der Kettengliedlänge zum Kettenumlenkradius oft sehr groß ist , wird bei einem Kettenantrieb mittels Kettenrads durch den bekannten Polygonef fekt ein signi fikanter Positions fehler auf die Kette induziert . Gängige Praxis ist es , diesen unerwünschten Ef fekt zumindest auf einem Trum ( im Vorlauf ) mit beispielsweise einer elektronischen Kurvenscheibe auf dem Kettenantrieb zu kompensieren, was aber auf Grund der gegebenen, nicht stetigen Kinematik und der Massen nur mit bedingter Genauigkeit gelingt . Bei einer Kette mit zwei Umlenkungen wird dabei aber das Gegentrum ( im Rücklauf ) unter Umständer überkompensiert (Hin- und Her- Beschleunigung während Bewegung) , und es wird sehr anspruchsvoll , mit diesem Trum eine Funktion zu synchronisieren . Der Polygonef fekt hat aber nicht nur auf die Dynamik einen Einfluss , sondern auch auf die Kettenlänge selbst . Diese Kettenlängenänderung muss deshalb mittels mindestens eines dynamischen Kettenspanners oder einer Kompensations-Umlenkkurve kompensiert werden, damit eine mehr oder weniger konstante Kettenspannung beibehalten werden kann . Nicht vorgespannte Ketten können chaotische Schwingungen erzeugen und somit zusätzliche Ungenauigkeiten bewirken .

Nachteilig an den vorab erwähnten Lösungen sind der hohe technische Aufwand für das prozesssichere Spannen der Bauteile , große Maschinen-Dimensionen mit hohen Investitionskosten sowie die insgesamt geringe Produktivität der Gesamtanlage .

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde , eine Vorrichtung und ein Verfahren zu of fenbaren, welche die vorstehend genannten Nachteile nicht aufweist .

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß 1 gelöst . Vorteilhafte Aus führungsvarianten sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben . Das erfindungsgemäße Verfahren weist die Merkmale von Anspruch 8 auf .

In der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die Werkstücke , die in der Regel j eweils aus zwei aufeinandergelegten Metallplatten bestehen, umlaufend in einer Hori zontalebene transportiert und verschweißt . Die plattenförmigen Werkstücke stehen dabei im Wesentlichen senkrecht , also lotrecht . Im Gegensatz dazu werden bei herkömmlichen Anlagen die Werkstücke waagrecht liegend verschweißt . Ein Vorteil dieser Erfindung liegt somit darin, dass der Schweißprozess in einer vertikalen Ebene , also in Lotrichtung und ungefähr senkrecht zur Transportrichtung erfolgt . Damit bleiben Schweißspritzer nicht auf dem zu bearbeitenden Werkstück liegen, womit eine geringere Verschmutzung der Werkstücke und der Vorrichtung resultiert .

Erfindungsgemäß werden die Werkstücke im Bearbeitungsbereich, in dem sie verschweißt werden, mit einer konstanten Geschwindigkeit transportiert und dort durch zumindest zwei gleichzeitig arbeitende Schweißlaser verschweißt . Außerdem ist eine Positionsmessung zur Positionsermittlung der Werkstücke vorgesehen . Die Positionsmessung wird zur Steuerung der zumindest zwei Schweißlaser verwendet .

Vorzugsweise sind mehr als zwei parallel arbeitende Schweißlaser vorgesehen, beispielsweise sind auch Anordnungen mit 8 Schweißlasern möglich . Damit die Werkstücke mit einer konstanten Geschwindigkeit durch den Bearbeitungsbereich transportiert werden können, muss der Polygonef fekt kompensiert werden . Dies kann beispielsweise durch eine Helix geschehen . Dabei sind alle aktuell im Bearbeitungsbereich befindlichen Kettenglieder während der Bearbeitungsphase im Eingri f f mit der s ich in diesem Bereich befindlichen Schraube (Helix ) . Dadurch wird ein genaueres Ausrichten der Kettenglieder zueinander und somit eine Steigerung der Qualität erreicht . Das sich ohne überlagerte Beschleunigungen bewegte Gegentrum bewirkt , dass das Be- und Entladen der Kettenglieder mit Werkstücken ohne aufwändige Positionskompensationen durchgeführt werden kann und somit eine optimale Ausnutzung des Platzbedarfs ermöglicht . Im Weiteren erlaubt eine Verwendung von mehreren Schweißlasern eine Produktionssteigerung . Die Laserstrahlen können dabei ein Werkstück gleichzeitig bearbeiten und danach sofort zum nächsten Werkstück weiterspringen .

Die möglichst eng nebeneinander platzierten Schweiß laser reduzieren ebenfalls die Zyklus zeit und schaf fen zusätzlichen Bauraum . Der Einsatz von speziellen Laseroptiken erlaubt zudem die Bearbeitung einer großen Bearbeitungs fläche , ohne dass sich die Laseroptik relativ zum Produktetransportsystem bewegt .

In der vorgeschlagenen Konfiguration wird das Werkstück nur einmal eingespannt und anschließend bearbeitet , sodass ein mehrmaliges Einspannen mit den bekannten Problemen einer genauen Justierung während der Bearbeitung des Werkstücks entfällt und insgesamt eine hohe Genauigkeit beim Beladen, Bearbeiten und Entladen erreicht wird .

Ziel ist es , den Teileausstoß pro Zeiteinheit signi fikant zu erhöhen bei gleichzeitiger Teilekostenreduktion . Der Einsatz von Laseroptiken erlaubt eine große Bearbeitungs fläche , ohne dass sich die Laseroptik relativ zur Produktetransportvorrichtung bewegen muss , was eine Steigerung der Qualität bewirkt . Das Überschneiden der Laserstrahlen und das gleichzeitige Bearbeiten auf mehreren Teilungspositionen erlaubt eine optimale Ausnutzung des Lasers , eine kompakte Bauweise und extrem lange Schweißnähte in kürzester Zeit und reduziert somit die Bearbeitungskosten .

Die hier vorgestellte Erfindung ermöglicht also insgesamt eine ef fi ziente und qualitativ hochstehende Fertigung .

Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand von Aus führungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen weiter erläutert . Dabei zeigen :

Fig . 1 eine Draufsicht auf ein erstes Laserbearbeitungsund Produktetransportsystem in schematischer Darstellung,

Fig . 2 eine Draufsicht auf ein zweites , alternatives Laserbearbeitungs- und Produktetransportsystem in schematischer Darstellung, Fig . 3 eine Draufsicht auf ein drittes , alternatives

Laserbearbeitungs- und Produktetransportsystem in schematischer Darstellung, und

Fig . 4 eine Seitenansicht des ersten Laserbearbeitungsund Produktetransportsystem wiederum in schematischer Darstellung .

Fig . 1 zeigt in einer Draufsicht ein erstes Laserbearbeitung- und Transportsystem 1 , mit dem endlos umlaufenden Produktetransportsystem 2 und der mindestens einen Produktetransportsystemführung 8 . Das Produktetransportsystem 2 wird mittels Schraubenantrieb 12 mit Drehgeber 13a im Uhrzeigersinn in der Transportebene XY (Hori zontalebene ) bewegt und durchläuft dabei die l inearen Bereiche 5a, 5b und in den Kompensations-Umlenkkurven 11 die Kurvenbereiche 6a, 6b . Das Produktetransportsystem 2 , beispielsweise ein kettengetriebenes System, besteht aus einer Anzahl Transportgliedern 3 , beispielsweise Kettengliedern, welche mit j e einem schwenkbaren Klapphebel 20 und j e mindestens einer Kurvenrolle 10 versehen sind, die in die Helix 7 eingreifen . Die Beladung 17 der Schweißvorrichtungen des umlaufenden Produktetransportsystems 2 mit einem Werkstück 14 erfolgt im linearen Bereich 5a bei ausgeklapptem und hori zontal liegendem Klapphebel 20 in der Be-/Entladezone 16 . Im Kurvenbereich 6a wird das Werkstück 14 durch Hochklappen des Klapphebels 20 in eine senkrechte Position gebracht und in der Schweißvorrichtung fixiert , beispielsweise mit Hil fe von Magnetkräften . In einem nächsten Schritt wird der Klapphebel 20 wieder geöf fnet und in eine ungefähr hori zontale Lage gebracht . Das Werkstück verbleibt dabei in der senkrechten Position . Im linearen Bereich 5b erfolgt in der Laserbearbeitungs zone 21 das Verschweißen des Werkstücks 14 mittels der fixen Schweißlaser 22a, 22b . Die Werkstücke 14 werden in der Laserbearbeitungs zone 21 mittels des Produktetransportsystems 2 an den Schweißlasern 22a, 22b vorbeibewegt . In der Be-/Entladezone 16 wird das bearbeitete ( geschweißte ) Werkstück 15 durch Entladung 18 der Schweißvorrichtung vom endlos umlaufenden Produktetransportsystem 2 entfernt .

Fig . 2 zeigt in einer Draufsicht ein zweites , alternatives Laserbearbeitung- und Transportsystem 1 , mit dem endlos umlaufenden Produktetransportsystem 2 , das mit Antriebsmitteln versehen ist und sich in einer gleichmäßigen Rotationsbewegung im Uhrzeigersinn auf der Kreisbahn 29 in der Transportebene XY (Hori zontalebene ) bewegt . Das Produktetransportsystem 2 besteht aus einer Anzahl von Transportgliedern 3 , welche mit j e einem schwenkbaren Klapphebel 20 versehen sind . Die Beladung 17 der Schweißvorrichtung des umlaufenden Produktetransportsystems 2 mit einem zu bearbeitenden Werkstück 14 erfolgt in der Be-/Entladezone 16 bei ausgeklapptem und hori zontal liegendem Klapphebel 20 . Durch Zurückklappen des Klapphebels 20 wird das Werkstück 14 in eine senkrechte Position gebracht und in der Schweißvorrichtung fixiert . In einem nächsten Schritt wird der Klapphebel 20 wieder geöf fnet und wieder in eine ungefähr hori zontale Lage gebracht . In der Laserbearbeitungs zone 21 erfolgt eine kontinuierliche Positionsmessung 9 und das Verschweißen des Werkstücks 14 mittels Laserstrahlen 26 der mindestens zwei Schweißlaser 22 , welche möglichst eng nebeneinander platziert sind . Hier sind 5 Schweißlaser 22 dargestellt aber auch eine andere Anzahl von Schweißlasern 22 i st möglich . Das Werkstücke 14 wird in der Schweißebene mittels des Produktetransportsystems 2 an den Schweißlasern 22 , 22a, 22b vorbeibewegt . In der Be-/Entladezone 16 wird das bearbeitete Werkstück 15 durch Entladung 18 der Schweißvorrichtung vom endlos umlaufenden Produktetransportsystem 2 entfernt .

Fig . 3 zeigt in einer Draufsicht ein drittes , alternatives Laserbearbeitung- und Transportsystem 1 mit dem Produktetransportsystem 2 und der mindestens einen Produktetransportsystemführung 8 . Die Transportglieder 3 sind mit Antriebsmitteln versehen, beispielsweise motorbetriebene Wagen, und bewegen sich auf einem f ixen Pfad 27 mit fester Teilung und einem freien Pfad 28 mit freier Teilung in Transportrichtung TR in der Transportebene XY . Bei den Antriebsmitteln kann es sich beispielsweise um Linearmotoren handeln . Die Beladung 17 der Schweißvorrichtungen der umlaufenden Transportglieder 3 mit den zu bearbeitenden Werkstücken 14 erfolgt in der Be- /Entladezone 16 auf dem fixen Pfad 27 . In der Laserbearbeitungs zone 21 , die sich ebenfalls auf dem fixen Pfad 27 befindet , erfolgt eine kontinuierliche , lineare Positionsmessung 9 sowie die Bearbeitung des zu bearbeitenden Werkstücks 14 mittels der mindestens zwei Laserstrahlen 26a, 26b der mindestens zwei Schweißlaser 22a, 22b . Das Werkstück 14 wird in der Schweißebene mittels des Produktetransportsystems 2 an den Schweißlasern 22a, 22b vorbeibewegt . In der Be-/Entladezone 16 wird das bearbeitete Werkstück 15 durch Entladung 18 der Schweißvorrichtung vom endlos umlaufenden Produktetransportsystem 2 entfernt .

Fig . 4 zeigt in einer Seitenansicht die Laserbearbeitungszone 21 eines Laserbearbeitung- und Transportsystems 1 , mit dem umlaufenden Produktetransportsystem 2 , dessen Transportglieder 3 sich kontinuierlich in der Transport- Ebene XY (Hori zontalebene ) in Transportrichtung TR bewegen . Die zu bearbeitenden Werkstücke 14 sind auf den Transportgliedern 3 fixiert und werden in der Schweißebene XZ bearbeitet . Die mindestens zwei Schweißlaser decken auf den aktuellen Teilungspositionen 3a die Bearbeitungsbereiche 23a, 23b ab, wobei eine Überdeckung 24 der Bearbeitungsbereiche 23a, 23b resultiert . Die Klapphebel 20 sind um die Schwenkachse 19 schwenkbar und dienen zum Platzieren und Fixieren der zu bearbeitenden Werkstücke 14 und der bearbeiteten-Werkstücke 15 auf den Transportgliedern 3 . Die Klapphebel 20 werden in der Position „halb of fen 20c" im Status „Herunterklappen" DOWN bzw . „Hochklappen" UP gezeigt .

Bezeichnungsliste

1 Laserbearbeitung- und Transportsystem

2 Produktetransportsystem

3 Transportglied a aktuelle Teilungsposition a, 5b linearer Bereich a, 6b Kurvenbereich Helix Produktetransportsystemführung0 Kurvenrolle 1 Kompensations-Umlenkkurve 2 Schraubenantrieb 3a Drehgeber Positionsmessung 4 plattenförmiges Werkstück 5 bearbeitetes Werkstück 6 Be-/Entladezone 7 Beladung 8 Entladung 9 Schwenkachse 0 Klapphebel 0a Klapphebel of fen 0b Klapphebel geschlossen 0c Klapphebel halbof fen 1 Laserbearbeitungs zone 2 Schweißlaser 2a Schweißlaser 2b Schweißlaser 3a, 23b Bearbeitungsbereich 4 Uberdeckung 6 , 26a, 26b Laserstrahl 7 fixer Pfad 8 freier Pfad 9 Kreisbahn TR Transportrichtung

XY Transportebene (Horizontalebene)

XZ Schweißebene