Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung der inkrementellen Mikroumformung zur Funktionsmusterherstellung metallischer Bipolarplatten

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Fertigung von Funktionsmustern metallischer Bipolarplatten mittels inkrementeller Umformung. Die Entwicklung der Werkzeugtechnik, die Ableitung von Prozessführungsstrategien sowie die Erprobung des Einsatzverhaltens der gefertigten Bauteile bilden die Schwerpunkte des Arbeitsprogramms.

Die Bewertung von Bipolarplattendesigns im Rahmen der Brennstoffzellenentwicklung erfolgt vorwiegend durch experimentelle Erprobung. Trotz der geringen Stückzahlen (1 – 10 Stück) der benötigten Prototypen werden diese bislang durch Tiefziehen oder Hydroforming hergestellt. Die Kosten der hierfür erforderlichen Werkzeuge stellen ein erhebliches Innovationshemmnis im Entwicklungsprozess dar.

Durch die Herstellung metallischer Bipolarplatten mittels inkrementeller Umformung sollen die Kosten des Prototypingprozesses erheblich reduziert werden. Ermöglicht werden soll dies durch die reduzierte Gesenkbelastung, was den Einsatz kostengünstiger Werkzeugkonzepte ermöglicht.

Herausforderung bei der Zielerreichung ist die Entwicklung von Stichelwerkzeugen zur Ausformung der feingliedrigen Kanalstrukturen. Die Dicke der umzuformenden Stahlfolien von ca. 100 µm macht zudem eine reibungsmindernde Werkzeuggestaltung erforderlich. Neben der Beurteilung der Geometrietreue erfolgt auch eine Erprobung der gefertigten Bauteile hinsichtlich ihres Betriebsverhaltens als Bipolarplatte einer Brennstoffzelle.

Das verringerte finanzielle Risiko sowie die verkürzten Entwicklungszyklen bei der Funktionsmusterherstellung mittels inkrementeller Umformung stellen einen erheblichen Wettbewerbsvorteil dar. Die für die Patrizenfertigung wie auch für die Umformung erforderliche Werkzeugmaschine ist häufig auch bei KMU mit eingeschränktem Maschinenpark vorhanden. Dies ermöglicht die Erschließung neuer Geschäftsfelder ohne Neuinvestitionen. Kleine Unternehmen können sich somit als Hersteller der Patrizen und Werkzeuge oder als Dienstleister im Bereich des Umformens etablieren.

Ergebniszusammenfassung:

Zu Projektbeginn wurden die Anforderungen hinsichtlich des Werkstoffes sowie der zu fertigenden Geometrien (ausgehend von den Anforderungen einer Bipolarplatte) definiert (AP1). Im nächsten Schritt folgte die Werkstoffcharakterisierung des Edelstahlwerkstoffes 1.4404 mit s0 = 0,1 mm mittels Zug-, ebenen Torsions- sowie Bulgeversuchen durchgeführt. Zudem wurden die für die numerische Simulation erforderlichen Reibkoeffizienten mittels Pin-on-Disc-Versuch ermittelt. Nach der Definition der Kanalgeometrien wurden die Randbedingungen für die Werkzeugentwicklung bestimmt. Der Prozess wurde numerisch abgebildet und das Modell wurde experimentell validiert. Somit konnten als Grundlage für die Werkzeugauslegung und die zu erwartenden Werkzeugbelastungen numerisch identifiziert werden. Zur Untersuchung des Einflusses der Werkzeugkinematik wurden schließlich 3 Werkzeugvarianten realisiert (starr, rotierend und oszillierend). Zur Untersuchung der prinzipiellen umformtechnischen Machbarkeit wurden zunächst Referenzgeometrien umgeformt (AP3). Dafür war ein Gegenwerkzeug (Patrize) erforderlich. Um ein Abheben der Edelstahlfolie zu vermeiden, wurde mittels Mikrobohrungen eine Vakuumansaugung realisiert. Die hergestellten Bauteile wurden im Hinblick auf Formgenauigkeit untersucht. Als nächstes wurden komplexere Realgeometrien definiert und umgeformt. Ein unerwünschtes Aufbiegen führte allerdings zu starken geometrischen Abweichungen, konnte aber schließlich durch eine nachträgliche Wärmebehandlung kompensiert werden.

Die bestätigte Machbarkeit der Umformung mittels inkrementeller Mikro-Blechumformung sowie die Bestätigung der Funktionalität der Bipolarplatten bieten weitreichende Möglichkeiten zur industriellen Anwendung im Bereich der Funktionsmus.

Neben einer Patentanmeldung sind aus dem Projekt ein Konferenzbeitrag (ASK Metal Forming 2019) sowie drei studentische Arbeiten hervorgegangen. Ein umfangreiches Journal-Paper ist noch geplant.