Alternative Antriebe
Alternative Antriebe Hochleistungs-Mikrofräsen hochharter Stähle: Beispiel Bipolarplatten Klaus Vollrath Werkzeuge für das Stanzen, Prägen und Umformen von Blechmaterialien sind sehr anspruchsvoll. Bei der Herstellung sind teils Genauigkeiten im Bereich von 1–2 µm gefordert. Der Schwierigkeitsgrad nimmt stark zu, je größer das Werkzeug und je dünner die Bleche werden. Ein Paradebeispiel hierfür sind Prägeplatten für die Blechteile von so genannten Bipolarplatten für Wasserstoff-Brennstoffzellen. Hierbei handelt es sich um dünne Strukturen aus verschweißten Blech-Halbschalen, die filigrane Strömungskanäle umschließen. Zusammen mit den dazwischen im Sandwichverfahren angeordneten Membran-Elektroden-Einheiten werden zahlreiche Lagen hintereinander in sogenannten „Stacks“ zusammengefügt. Die Politik will fossile Brennstoffe durch Auf- und Ausbau erneuerbarer Energien ersetzen. Da nicht alles durch Umstellung auf Elektrizität geht, wird daneben der Aufbau einer Wasserstoffwirtschaft vorangetrieben. Deshalb wird die Brennstoffzelle als Alternative zur Batterie gesehen. Für diese Technologie werden so genannte Bipolarplatten benö tigt, die im Kfz-Bereich aus geprägten, gestanzten und zu Hohlkörpern verschweißten Blech-Halbschalen bestehen. Die Herstellung geeigne ter Präge- und Stanzwerkzeuge ist beim aktuellen Stand der Technik eine Engpass-Technologie. Dünnere Bleche würden die Masse der Brennstoffzellen reduzieren. Je dünner jedoch das Material desto enger muss auch der Schnittspalt und umso genauer die Geometrie werden. Die von den Präge- und Stanzwerkzeugen sowie von den Pressen zu erbring enden Genauigkeiten sind äußerst herausfordernd. Im Mittelpunkt des Interesses steht die Entwicklung einer geeig Bipolarplatten bestehen aus je zwei geprägten Halbschalen aus Blech, die miteinander so verschweißt werden, dass dazwischen und auch entlang der Außenkontur Strömungskanäle für Medien wie beispielsweise Kühlwasser (blau) entstehen Grafik: Fa. Klaus Baier neten Prozesskette für die Herstellung der Präge- und Stanzwerkzeuge für die Produktion der Blechteile. Wesentliche Punkte betreffen die Anforderungen an den Stahl für die Werkzeuge, die CAD/CAM-Software, die benötigten Mikro-Fräswerkzeuge, die Eigenschaften der Werkzeugmaschine, die Schmierung und Kühlung der Fräser sowie die messtechnische Kontrolle und Dokumentation der Qualität. An diesem Projekt arbeiten die Unternehmen Hufschmied, MHT, Röders, Open Mind, Voestalpine und Zeiss gemeinsam. Der aktuelle Stand der Dinge wurde bei Firma Hufschmied im Rahmen eines Seminars mit mehr als 50 Teilnehmern präsentiert. Die Ergebnisse sind nicht nur für das Kernthema „Bipolarplatten“ interessant, sondern darüber hinaus auch für weitere Branchen wie die Mikroproduktion, die Feinmechanik, die Medizintechnik oder die Luft- und Raumfahrt. Ultraharter Stahl: Böhler K888 Matrix Um die äußerst feinen Strukturen von Bipolarplatten wirtschaftlich darstellen zu können, muss das Präge Abb. 1: Probewerkstück (50 mm x 40 mm) mit verschiedenen für Bipolarplatten typischen Oberflächenstrukturen aus dem Böhler-Werkstoff K888 Matrix mit 63+1 HRC Bild: Klaus Vollrath 44 GREEN EFFICIENT TECHNOLOGIES 2024
Alternative Antriebe werkzeug eine sehr hohe Maßhaltigkeit, gute Verschleißbeständigkeit sowie eine geringe Adhäsionsneigung aufweisen. Weitere Voraussetzung ist eine gute Zerspanbarkeit. Dies setzt einen niedrigen Anteil an Primärcarbiden in einer harten Gefügematrix (Matrixstahl) voraus. Weiterhin sollten die Carbide nur sehr klein sowie homogen über den gesamten Querschnitt verteilt sein, da grobe Exemplare beim Zerspanen zerbrechen und dadurch Oberflächenfehler verursachen können. Deshalb kommen pulvermetallurgisch erzeugte Stähle zum Einsatz. Gewählt wurde mit dem Böhler K888 Matrix ein Werkstoff mit einem maximalen Carbidanteil von < 2 %. Dieser wird im weichgeglühten Zustand mit einer Brinellhärte von < 280 HB ausgeliefert und erreicht nach dem Härten bei Temperaturen zwischen 1070–1120 °C eine Rockwellhärte von 63 +1 HRC. Dadurch zeichnet er sich selbst im Vergleich mit hoch carbidhaltigen Werkstoffen durch eine hohe Verschleißbeständigkeit aus. Zerspanungsversuche bei der Firma Hufschmied ergaben, dass das Material dennoch gut bearbeitbar ist und sehr gute Oberflächenqualitäten erreichbar sind. Der Werkstoff ist zudem gut beschichtbar, was ebenfalls zu einer Standzeiterhöhung führt. Die Bearbeitung von Prägestempeln für Bipolarplatten ist charakterisiert durch hohe Materialhärte, kleine Werkzeuge mit Durchmessern deutlich unter einem Millimeter sowie hohe Anforderungen an Oberflächengüte und Genauigkeit bis herab in den 1-µm-Bereich. Die kleinteiligen Konturen bedingen zudem lange Laufzeiten, was sehr gute thermische Langzeit-Stabilität der Werkzeugmaschine voraussetzt. Röders-Werkzeugmaschinen eignen sich speziell für solche Präzisionsbearbeitungen. Sie zeichnen sich unter anderem durch reibungsfreie Direktantriebe, hochsteife Rollenführungen, einen reibungsfreien Gewichtsausgleich der Z-Achse, Präzisions-HSC-Spindeln und eine hochgenaue Werkzeugvermessung aus. Besonderheit ist die mit 32 kHz extrem hohe Taktrate der Regelung in allen Regelkreisen, die eine schnelle Korrektur selbst kleinster Abweichungen ermöglicht. Entscheidend ist außerdem das ausgefeilte Temperaturmanagement durch ein auf ± 0,1 K stabil gehaltenes Temperiermedium, das durch alle wesentlichen Komponenten der Maschine zirkuliert. So lassen sich Toleranzen im unteren Mikrometerbereich prozesssicher einhalten. Bumble-Bi-Mikrowerkzeuge von Hufschmied Für die Fräswerkzeuge ist die Bearbei tung von Prägewerkzeugen für Bipolar platten eine besondere Herausforderung. Dies liegt an der Härte des zu bearbeitenden Materials und der langen Laufzeit der Programme von teils deutlich über 100 Stunden. Auch erlauben die geforderten Genauigkeiten nur geringen Verschleiß. Hierfür entwickelte die Firma Hufschmied die spezielle „Bumble-Bi“-Baureihe von Mikrowerkzeugen. Dazu gehören Hochvorschubfräser für das Schruppen sowie Torusfräser, Kugelfräser und Flatballfräser. Letztere sind eine Art Hybrid zwischen Torus- und Kugelfräser. Alle Werkzeuge erhalten eine eigens entwickelte PVD-Beschichtung, deren extrem glatte Schichten ein gutes Temperaturmanagement ermöglichen. Die zur Herstellung des Demonstrators eingesetzten Fräswerkzeuge sowie ihre Einsatzparameter sind in einer Tabelle zusammengefasst. Anforderungen an die Fräsmaschine Abb. 2: Die von Hufschmied Zerspanungstechnik speziell für die Herstellung von Prägewerkzeugen für Bipolarplatten entwickelte Bumble-Bi Werkzeugfamilie Grafik: Hufschmied Abb. 3: Die zur Bearbeitung der verschiedenen Segmente des Demonstrators (50 mm x 40 mm) auf der Röders-Anlage eingesetzten Hufschmied-Werkzeuge der Bumble-Bi-Reihe sowie die entsprechenden Bearbeitungszeiten Grafik: Röders/ Hufschmied GREEN EFFICIENT TECHNOLOGIES 2024 45
