DE102011017488B4

DE102011017488B4 - Verfahren zur Herstellung eines Umformwerkzeuges und Umformwerkzeug

Info

Publication number: DE102011017488B4
Application number: DE102011017488.5A
Authority: DE
Inventors: Ümit Akay; Christian Martin Erdmann; Dr.-Ing. Rückert Franz
Original assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2011-04-19
Filing date: 2011-04-19
Publication date: 2023-12-07
Anticipated expiration: 2031-04-20
Also published as: DE102011017488A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Umformwerkzeuges zum Umformen eines Formteils, insbesondere einer metallischen Bipolarplatte, bei dem das Umformwerkzeug als ein mindestens zweiteiliger, eine Kavität bildender Verbundkörper mit einem ersten Körper und einem zweiten Körper gefertigt wird, wobei diese jeweils auf ihrer kavitätsseitigen Oberfläche mit einer durch Abscheiden gebildeten, ersten Schicht versehen werden, wobei jeweils die erste Schicht des ersten und zweiten Körpers geglättet und anschließend jeweils der erste und zweite Körper mit einer auf der ersten, geglätteten Schicht aufliegenden zweiten Schicht versehen werden, und die jeweilige zweite Schicht des ersten und zweiten Körpers als eine Diamantschicht auf der Basis von Kohlenstoff ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Umformwerkzeuges und ein Umformwerkzeug zum Umformen eines Formteils, insbesondere einer metallischen Bipolarplatte, bei dem das Umformwerkzeug als ein mindestens zweiteiliger, eine Kavität bildender Verbundkörper mit einem ersten Körper und einem zweiten Körper gefertigt wird, wobei diese jeweils auf ihrer kavitätsseitigen Oberfläche mit einer durch Abscheiden gebildeten, ersten Schicht versehen werden.
Aus der WO 2004/047209 A2 ist ein Verfahren zum Umformen einer Separatorplatte für eine Brennstoffzelle mittels eines Umformwerkzeuges bekannt. Die Separatorplatte umfasst dabei eine Anzahl von Erhebungen, welche mittels Pressen einer Metallplatte an ein oberes Werkzeugteil des Umformwerkzeuges geformt werden. Dazu umfasst das obere Werkzeugteil eine Anzahl von Vertiefungen. Die Metallplatte wird mittels einer unter Druck stehenden Flüssigkeit an das obere Werkzeugteil gepresst. Ein unteres Werkzeugteil stellt dabei die unter Druck stehende Flüssigkeit bereit. Die Vertiefungen im oberen Werkzeugteil korrespondieren dabei mit den in der Metallplatte zu formenden Erhebungen, mit dem Ziel, dass die Separatorplatte die Anzahl von Erhebungen ausweist. Weiterhin wird eine Separatorplatte offenbart, die nach diesem Verfahren hergestellt wird.
In der US 6,938,449 B2 ist ein hydraulischer Umformprozess, ein hydraulisches Umformwerkzeug und eine Separatorplatte, welche mittels des hydraulischen Umformprozesses hergestellt wird, offenbart. Bei dem hydraulischen Umformprozess wird ein hydraulisches Umformwerkzeug verwendet. Dabei wird eine Metallplatte im Umformwerkzeug auf einen Stützbereich mit einem Vertiefungsbereich aufgelegt, welche an einem unteren Werkzeugteil angeordnet sind. Das untere Werkzeugteil ist weiterhin mit einer hydraulischen Flüssigkeit gefüllt. Anschließend wird ein Blechhalter im Umformwerkzeug abgesenkt, um einen äußeren Randbereich der Metallplatte auf dem Stützbereich zu arretieren. Anschließend wird ein oberes Werkzeugteil relativ zu dem unteren Werkzeugteil abgesetzt, um einen mittleren Bereich der Metallplatte zu deformieren und die hydraulische Flüssigkeit zusammenzudrücken, wodurch sich der Druck der Flüssigkeit erhöht.
Dabei wird mittels eines formenden Bereiches eine nach außen gewölbte, rippenhafte Struktur in die Metallplatte geformt. Weiterhin wird der Druck der hydraulischen Flüssigkeit für eine bestimmte Zeit gehalten und dann wieder entlastet.
Bei der Herstellung dieser Umformwerkzeuge ist es bekannt, das eine Schicht jeweils an der am Formteil anliegenden Seite aufgetragen wird. Die Schicht dient dabei zum Korrosionsschutz des Umformwerkzeuges und zur Verstärkung einer an dem Umformwerkzeug angeordneten Metallschicht.
Aus der DE 10 2010 011 087 A1 ist ein kühlbares Formwerkzeug sowie ein Verfahren zum Herstellen desselben bekannt, wobei das Verfahren ein Herstellen eines an einer Oberfläche Fluidpfade aufweisenden Teilkörpers des Formwerkzeugs, ein Schützen der Fluidpfade gegen ein Eindringen von Partikeln, und ein Auftragen einer Deckschicht über die geschützten Fluidpfade und auf die Oberfläche mittels Lichtbogenspritzen aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Umformwerkzeuges und ein verbessertes Umformwerkzeug anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und ein Umformwerkzeug mit den in Anspruch 3 angegebenen Merkmalen gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Untersprüche.
Bei dem Verfahren zur Herstellung eines Umformwerkzeuges zum Umformen eines Formteils, insbesondere einer metallischen Bipolarplatte, wird das Umformwerkzeug als ein mindestens zweiteiliger, eine Kavität bildender Verbundkörper mit einem ersten Körper und einem zweiten Körper gefertigt, wobei diese jeweils auf ihrer kavitätsseitigen Oberfläche mit einer durch Abscheiden gebildeten ersten Schicht versehen werden.
Die erste Schicht wird dabei als Beschichtung zum nachhaltigen Korrosionsschutz in einem elektrochemischen Prozess, vorzugsweise mittels galvanischer Abscheidung, gebildet. Alternativ ist die Schichtbildung durch einen Diffusionsprozess möglich, bei dem gezielt Ionen, vorzugsweise Stickstoffionen, in die oberflächennahen Bereiche diffundieren. Das bedeutet, dass eine oberflächennahe Schicht durch gezielte Änderung der Eigenschaften im Material eines Körpers des Umformwerkzeugs ausgebildet wird.
Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass jeweils die erste Schicht des ersten und zweiten Körpers geglättet und anschließend jeweils auf die erste, geglättete Schicht eine zweite Schicht aufgetragen wird.
Die Glättung der jeweiligen ersten Schicht erfolgt dabei mittels einer entsprechenden Vorrichtung, beispielsweise einer Poliermaschine, welche die Glättung somit durch mechanische Bearbeitung herbeiführt, oder beispielsweise alternativ auch mittels einer elektrochemischen, d.h. berührungslosen Bearbeitungsvorrichtung. Somit erfolgt eine Reduzierung von Rauhigkeiten sowie eine Erhöhung des Traganteils der Oberfläche des Umformwerkzeuges, d.h. das Verhältnis der tragenden Länge des Umformprofils zur Bezugsstrecke der Oberfläche des Umformwerkzeuges wird optimiert.
Die im Anschluss an die Glättung aufgetragene zweite Schicht wird vorzugsweise durch Abscheidung, wie beispielsweise physikalische Abscheidung oder plasmaunterstützte, chemische Abscheidung aus der Gasphase, gebildet. Dabei reduziert die zweite Schicht in gewinnbringender Weise Reibungsvorgänge während des Umformprozesses, die insbesondere jeweils zwischen den ersten und zweiten Körpern des Umformwerkzeuges und des Formteils entstehen und die ein Fließen des Formteils in einen Umformbereich des Umformwerkzeuges verhindern.
Mittels der zweiten Schicht wird somit das Fließen des Formteils in den Umformbereich verbessert und damit ein frühes Abstrecken des Materials des Formteils im Umformwerkzeug, was zu einer Rissbildung führt und wodurch komplexe Profilstrukturen des Formteils nicht realisiert werden können, verhindert.
Weiterhin besitzt die zweite Schicht besonders stabile und dauerhaft wirkende Materialeigenschaften, beispielsweise weist diese einen hohen mechanischen Widerstand und eine Resistenz gegen viele Chemikalien auf. Daraus folgend erhöht die zweite Schicht die Verschleißbeständigkeit des Umformwerkzeuges.
Mit dem Umformwerkzeug, welches nach dem Verfahren hergestellt wird, ist in vorteilhafter Weise eine kostengünstige und effiziente Umformung eines Formteiles und damit beispielsweise die Fertigung einer metallischen Bipolarplatte als Teil einer Brennstoffzelle möglich, welche als komplexe Profilstruktur eine Anzahl von Kanälen aufweist. Daraus folgend wird weiterhin eine Effizienzsteigerung der elektrochemischen Reaktionen in Brennstoffzellen und damit eines Brennstoffzellenstapels sichergestellt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt:

1 ein Blockschaltbild eines Verfahrens zur Herstellung eines Umformwerkzeuges.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein Blockschaltbild eines Verfahrens zur Herstellung eines nicht dargestellten Umformwerkzeuges, umfassend eine Anzahl von Schritten 1 bis 5.
Das Umformwerkzeug dient dabei der Umformung eines Formteils, insbesondere einer metallischen Bipolarplatte, welche einen Teil einer Brennstoffzelle darstellt. Die Bipolarplatte besteht dazu aus zwei geformten Metallplatten, welche beispielsweise mittels Laserschweißen zusammengefügt werden.
Im ersten Schritt 1 wird das Umformwerkzeug als ein mindestens zweiteiliger, eine Kavität bildender Verbundkörper mit einem ersten Körper und einem zweiten Körper gefertigt. Der erste Körper ist dabei dem zweiten Körper gegenüberliegend angeordnet.
Der erste Körper weist an seiner dem zweiten Körper zugewandten Seite ein Umformprofil als Positivkontur des herzustellenden Profils des Formteils auf, welches als ein Umformbereich des Umformwerkzeuges definiert ist.
Der zweite Körper weist an seiner dem ersten Körper zugewandten Seite eine Aussparung und einen Kanal, welcher durch den zweiten Körper verläuft, auf. Die Aussparung ist dabei mit dem Kanal verbunden. Durch den Kanal kann ein gasförmiges und/oder flüssiges Medium unter Druck in die Aussparung fließen.
Das Umformprofil des ersten Körpers und die Aussparung des zweiten Körpers bilden dabei die Kavität des Umformwerkzeuges.
Zum Umformen des Formteils wird dieses zwischen dem ersten und zweiten Körper angeordnet.
Fließt das druckbeaufschlagte Medium durch den Kanal in die Aussparung des zweiten Körpers, wird das Formteil an das Umformprofil des ersten Körpers gepresst. In diesem Zusammenhang kann auch gesagt werden, dass das Formteil in den Umformbereich des Umformwerkzeuges fließt.
Sowohl der erste als auch der zweite Körper bestehen dabei jeweils vorzugsweise aus einem Metall oder einer Metalllegierung oder einer Keramik oder einem Kunststoff. Auch ist es möglich, dass der erste Körper aus einem anderem Material besteht als der zweite Körper.
Wird als Material Keramik oder Kunststoff verwendet, so werden die Oberflächen des ersten und/oder zweiten Körpers mit einer Metallschicht versehen.
Im zweiten Schritt 2 werden die kavitätsseitigen Oberflächen des ersten und zweiten Körpers mit einer ersten Schicht versehen. Die erste Schicht wird dabei in einem elektrochemischen Prozess abgeschieden.
Dazu wird die Metallschicht des ersten und zweiten Körpers beispielsweise in einem galvanischen Bad mit einem Schichtwerkstoff verstärkt. Als Schichtwerkstoff wird z.B. Zink in Verbindung mit einer chemischen, passivierenden Nachbehandlung verwendet.
Die jeweilige erste Schicht des ersten und zweiten Körpers verstärkt diese mechanisch und dient in vorteilhafter Weise dem nachhaltigen Korrosionsschutz des Umformwerkzeuges.
Um Rauhigkeiten zu reduzieren und einen Traganteil der Oberfläche des Umformwerkzeuges zu erhöhen, wird im dritten Schritt 3 jeweils die erste Schicht des ersten und zweiten Körpers geglättet. Die Glättung erfolgt besonders bevorzugt im Mikrometerbereich der ersten Schicht und beispielsweise mit einer entsprechenden Poliermaschine oder mittels entsprechender elektrochemischer Bearbeitung.
Da aufgrund der anliegenden Bereiche jeweils zwischen den ersten Schichten und dem Formteil hohe Reibkräfte beim Umformen des Formteils auftreten können, wird im Anschluss an den dritten Schritt 3 ein vierter Schritt 4 durchgeführt.
Im vierten Schritt 4 wird jeweils der erste und zweite Körper mit einer auf der ersten, geglätteten Schicht aufliegenden zweiten Schicht versehen.
Dazu wird die zweite Schicht vorzugsweise durch Abscheidung, wie beispielsweise physikalische Abscheidung oder plasmaunterstützte, chemische Abscheidung aus der Gasphase, gebildet.
Die zweite Schicht ist in vorteilhafter Weise als eine Diamantschicht auf der Basis von Kohlenstoff ausgebildet und wird auch diamond-like carbon (=dlc) - Schicht genannt.
Die zweite Schicht weist daher einen hohen mechanischen Widerstand und einen geringen Reibungskoeffizienten auf. Dadurch wird das Pressen des Formteils an den ersten Körper und damit das Fließen des Formteils in den Umformbereich des Umformwerkzeuges verbessert, was auch komplexe Profilstrukturen im Formteil ermöglicht. So ist beispielsweise die Realisierung enger und tiefer Kanäle in einer metallischen Bipolarplatte möglich, ohne dass eine zu früh einsetzende Rissbildung zum Versagen des Formteils führt.
Da nach der Abscheidung der zweiten Schicht diese gegebenenfalls an ihrer Oberfläche freie Bindung aufweist, was zu einer Erhöhung des Reibungskoeffizienten führt, wird die zweite Schicht im fünften Schritt 5 nachbehandelt.
Die Nachbehandlung der zweiten Schicht kann beispielsweise mit einem Wasserstoff- und/oder Sauerstoffplasma erfolgen. Vorzugsweise wird dazu eine Elektron-Zyklotron-Resonanz- verwendet.
Damit wird eine Absättigung der freien Bindungen in der oberflächennahen Schicht der zweiten Schicht erreicht, was zu einer Herabsetzung des Reibungskoeffizienten der zweiten Schicht führt.
Ein Umformwerkzeug mit einer reibungsreduzierenden und verschleißbeständigen zweiten Schicht ermöglicht somit eine Standzeitverlängerung des Umformwerkzeugs und somit eine Vermeidung von Ausschüssen, was zu einer Reduktion von Kosten führt.
Weiterhin wird mittels des Umformwerkzeuges eine Gesamtkraft des Umformprozesses reduziert.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Umformwerkzeuges zum Umformen eines Formteils, insbesondere einer metallischen Bipolarplatte, bei dem das Umformwerkzeug als ein mindestens zweiteiliger, eine Kavität bildender Verbundkörper mit einem ersten Körper und einem zweiten Körper gefertigt wird, wobei diese jeweils auf ihrer kavitätsseitigen Oberfläche mit einer durch Abscheiden gebildeten, ersten Schicht versehen werden, wobei jeweils die erste Schicht des ersten und zweiten Körpers geglättet und anschließend jeweils der erste und zweite Körper mit einer auf der ersten, geglätteten Schicht aufliegenden zweiten Schicht versehen werden, und die jeweilige zweite Schicht des ersten und zweiten Körpers als eine Diamantschicht auf der Basis von Kohlenstoff ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige erste Schicht des ersten und zweiten Körpers im Mikrometerbereich geglättet wird.
Umformwerkzeug zum Umformen eines Formteils, insbesondere einer metallischen Bipolarplatte, hergestellt nach einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 2, welches als ein mindestens zweiteiliger, eine Kavität bildender Verbundkörper mit einem ersten Körper und einem zweiten Körper ausgebildet ist, wobei der erste und der zweite Körper jeweils auf ihrer kavitätsseitigen Oberfläche eine erste, geglättete Schicht und eine zweite Schicht aufweisen, und die jeweilige zweite Schicht des ersten und zweiten Körpers als eine Diamantschicht auf der Basis von Kohlenstoff ausgebildet ist.
Umformwerkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Körper kavitätsseitig ein Umformprofil als Positivkontur aufweist.
Umformwerkzeug nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Körper einen Kanal und kavitätsseitig eine Aussparung für ein gasförmiges und/oder flüssiges Medium aufweist, welches druckbeaufschlagt durch den Kanal in die Aussparung transportiert wird.