Aktive Prozesskontrolle bei der Serienfertigung hochpräzise geprägter Bipolarplatten

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Mathias Liewald
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren ; Messsysteme
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 460294948

Die Verfügbarkeit leistungsstarker Energieträger ist eine Grundvoraussetzung für die erfolgreiche Elektrifizierung des Personen- und Nutzkraftwagenverkehrs. Die begrenzten Energie- und Leistungsdichten selbst modernster Akkumulatoren lassen daher die Brennstoffzellentechnologie wieder vermehrt in den Fokus rücken. Kritische Komponenten effizienter Brennstoffzellensysteme sind insb. die Bipolarplatten (BPP), die für die Zuleitung der Reaktionsgase und die Ableitung des entstehenden Wassers verantwortlich sind. In modernen Systemen sind ~600 BPP verbaut! Umgeformte metallische BPP sind wegen der besseren elektrischen Leitfähigkeit und des kostengünstigeren Herstellungsprozesses BPP aus Graphit technisch und wirtschaftlich überlegen. Allerdings können bei der Blechumformung typische Umformfehler wie Reißer und Springbeul-Effekte bereits bei leicht schwankenden Prozessparametern auftreten. Die meisten dieser Fehlerbilder lassen sich bis dato fertigungsbedingt nicht konsistent erkennen und vermeiden. Die nachgelagerte Qualitätssicherung muss daher mittels kosten- und zeitintensiver Stichprobenprüfungen erfolgen und es existiert kein industrietaugliches System zur Identifikation kritischer Prozessparameter zur gezielten Fehlerbehebung. Bis jetzt!Durch die Kombination einer umfassenden Simulations-Toolchain mit einer inline-fähigen, vollflächigen 3D-Vermessung jedes gefertigten Bauteils wird in AKS-Bipolar ein Gesamtsystem zur aktiven Prozesskontrolle und Qualitätssicherung für die Serienfertigung realisiert. Ziel ist eine deutliche Reduktion von Ausschussteilen in bestehenden Prozessen, z. B. durch konkrete Handlungsempfehlungen zur Elimination von Fehlerbildern während der Produktion aber auch durch die Weiterentwicklung numerischer Simulationsmethoden, mit denen neue Bauteilgeometrien funktionsgerecht und prozesssicher herstellbar ausgelegt werden können. Der Projekterfolg wird mittels eines Demonstrators an einem konkreten, industriellen Fertigungsbeispiel des Anwendungspartners ThyssenKrupp Systems Engineering (tk SY) nachgewiesen.Durch die digital-holographische Sensortechnik des Fraunhofer IPM stehen erstmals hochgenaue 3D-Daten in hohem Umfang und Echtzeit zur Verfügung, die sehr schnell und akkurat mit den am IFU zur Prozessauslegung verwendeten Simulationsergebnissen verglichen werden können. Auf dieser Datenbasis generiert und optimiert die im Projekt zu entwickelnde Simulations-Toolchain einen Digitalen Zwilling des betrachteten Umformprozesses, mit welchem wiederkehrende Fertigungsprobleme numerisch erfasst und geeignete Gegenmaßnahmen im Sinn einer Industrie 4.0-Produktion zielgerichtet gesteuert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen (Transferprojekt)
• Anwendungspartner: Chemische Werke Kluthe GmbH; thyssenkrupp System Engineering GmbH
• Kooperationspartner: Professor Dr. Daniel Carl