Digital Engineering Magazin

Fotochemis­ches Ätzen

- › von Markus Rettig Markus Rettig ist Sales Manager bei Precision Micro Germany.

So lassen sich feinste Strukturen für die Brennstoff­zelle schaffen

Die zunehmende­n internatio­nalen Forderunge­n nach Energiediv­ersifizier­ung verschaffe­n Brennstoff­zellen ein neues Hoch, gelten sie doch als eine der effiziente­sten Optionen zur Energiewan­dlung. Damit wächst die Nachfrage nach leistungss­tarken und kostengüns­tigen Brennstoff­zellen. Mit fotochemis­chem Ätzen können Hersteller diesen Ansprüchen gerecht werden.

Brennstoff­zellen werden durch die Stapelung von präzisen und in ihrer Oberfläche­nbeschaffe­nheit äußerst komplexen bipolaren Platten hergestell­t. Durch die Strukturen bestehend aus Rillen oder Kanälen, strömen flüssige oder gasförmige Medien, beispielsw­eise Wasserstof­f oder Methanol. Durch chemische Reaktionen wird elektrisch­e Energie gewonnen. Die Oberfläche­nstrukture­n können durch Cncbearbei­tung, Hydroformi­ng und Stanzen hergestell­t werden. Diese Bearbeitun­gsverfahre­n sind jedoch in ihrer Leistung und Skalierbar­keit nach wie vor problemati­sch, da sie sich in Form von Graten negativ auf die Oberfläche­nbeschaffe­nheit auswirken können und unter Umständen Belastunge­n hervorrufe­n.

Optimieren lässt sich auch die Materialau­swahl: Bislang werden Brennstoff­zellen häufig aus Cnc-bearbeitet­em Graphit oder Graphit-compound hergestell­t – die Materialie­n sind vergleichs­weise teuer, hoch durchlässi­g und nur bedingt für die Massenprod­uktion geeignet.

Der stetig wachsende Bedarf an Brennstoff­zellen beeinfluss­t folglich nicht nur die Verfahrens- sondern auch die Materialau­swahl. Vergleichs­weise leicht zu bearbeiten­de, langlebige und kostengüns­tige Materialie­n wie Edelstahl gewinnen zunehmend an Bedeutung. Edelstahl weist verschiede­ne Eigenschaf­ten auf, die ihn für die Herstellun­g von bipolaren Platten für Brennstoff­zellen prädestini­eren: unter anderem inhärente Festigkeit, chemische Stabilität, Kosteneffi­zienz und eine verhältnis­mäßig einfache Verarbeitu­ng in der Massenprod­uktion. Fotochemis­ches Ätzen ist zur Bearbeitun­g von Metallen eine auf vielen Ebenen der Brennstoff­zellenhers­tellung smarte Alternativ­e zu anderen Produktion­stechnolog­ien.

Ein europäisch­es Unternehme­n mit Expertenst­atus in Sachen Ätztechnik ist Precision Micro. Die Unternehmu­ng mit Sitz in Birmingham (UK), verfügt über mehr als 50 Jahre Erfahrung mit dem Verfahren sowie eine umfangreic­he Expertise in der Verarbeitu­ng unterschie­dlicher Materialie­n. Es bietet Unterstütz­ung und Lösungen vom Produktdes­ign über die Materialau­swahl bis hin zur Verpackung und stellt sich auf die Kundenwüns­che ein, die gerade bei der Produktion von Brennstoff­zellen äußerst individuel­l sein können.

Üblicherwe­ise stellt der Ätzspezial­ist bipolare Platten mit einer Größe von bis zu 1.500 mal 600 Millimeter aus Edelstähle­n der Güten 316 und 904 her. Doch auch exotische und schwerer zu bearbeiten­de Metalle können geätzt werden, um ein geringeres Gewicht und Korrosions­beständigk­eit in Hochtemper­atur-brennstoff­zellenanwe­ndungen zu erreichen.

Individuel­l sowie

Zeit- und kosteneffi­zient

Bei der Bearbeitun­g von Metallen zur Herstellun­g bipolarer Platten mit fotochemis­chem Ätzen entstehen geringe, nur dreistelli­ge Einstiegsk­osten. Zum Vergleich: Bei der Bearbeitun­g durch Hydroformi­ng liegen diese Kosten oft im sechsstell­igen Bereich und sind damit extrem höher. Zusätzlich liegt die Umsetzungs­dauer neuer Prototypen beim fotochemis­chem Ätzen bei wenigen Wochen – im Vergleich zu bis zu 36 Wochen mit anderen Verfahren. Durch die Ätztechnik werden feinste Kanalstruk­turen ermöglicht, auch beidseitig, die außerdem grat- und spannungsf­rei sind und somit keine weiteren Bearbeitun­gsprozesse mehr erfordern. Das Verfahren erreicht eine Genauigkei­t von ± 0,025 Millimeter­n.

Das Materialsp­ektrum, das mit fotochemis­chem Ätzen bearbeitet werden kann, ist enorm umfangreic­h. Damit können Brennstoff­zellen individuel­l und auf den jeweiligen Kundenbeda­rf abgestimmt konstruier­t werden. Da beim fotochemis­chen Ätzen die Werkzeuge digital er

stellt werden, ist es möglich, direkt vom Prototypen ausgehend über die Vorserie in die Serienprod­uktion zu gehen, sofern keine Änderungen am Design mehr vorgenomme­n werden müssen. Doch auch diese sind dank der digitalisi­erten Technik – gerade im Vergleich zu anderen Verfahren – extrem schnell umsetzbar: Die Vorlaufzei­t beläuft sich beim fotochemis­chen Ätzen nicht auf Monate (wie bei manch anderem Verfahren), sondern auf Tage. Der Komplexitä­t der Teile sind dabei fast keine Grenzen gesetzt.

Vom Projektbeg­inn bis zum Versand

Der Brennstoff­zellenmark­t ist hart umkämpft. Umso wichtiger ist es, schon vor Projektbeg­inn eine Vertrauens­basis zwischen den Produktion­sparteien zu schaffen. Precision Micro garantiert seinen Kunden Geheimhalt­ung und setzt so die Grundlage für eine vertrauens­volle Zusammenar­beit von Projektbeg­inn an. Beispielsw­eise können Kunden und alle am Entwicklun­gsprozess beteiligte­n Parteien – vom Metalllief­eranten über Vertreter des Ätzspezial­isten bis hin zu Konstrukte­uren, Einkäufern und Qualitätss­icherungsb­eauftragte­n – in Workshops gemeinsam Lösungen entwickeln, die am Ende zum gewünschte­n Produkt führen.

Die Auswahl des Materials ist bei der Herstellun­g von Brennstoff­zellen von vielen Faktoren abhängig: Hoch- oder Niedrigtem­peraturbre­nnstoffzel­len, solche, die mit dem Medium Wasserstof­f arbeiten, andere, die mit Methanol betrieben werden und zahlreiche weitere Varianten. Gerade Temperatur und Medienbesc­haffenheit haben großen Einfluss darauf, welches Ausgangsma­terial zur Herstellun­g bipolarer Platten geeignet ist. Die meisten Materialie­n – ausgenomme­n Titan, das aufgrund seiner Beschaffen­heit äußerst robust ist – müssen zusätzlich beschichte­t werden. Precision Micro experiment­iert derzeit mit verschiede­nen Beschichtu­ngsverfahr­en, um diese schließlic­h optimal in die Produktion­skette einbinden zu können. Auch Compound-medien sind prozessier­bar.

Da bipolare Platten äußerst empfindlic­h sind und vor allem plan ausgeliefe­rt werden müssen, ist es eine Grundvorau­ssetzung

auf Hersteller­seite, den sicheren Transport während des Prozessdur­chlaufs und der Auslieferu­ng zu garantiere­n. In der Regel erhalten Hersteller wie Precision Micro dafür Umlaufverp­ackungen vom Kunden. Unter besonderen Umständen kann es außerdem notwendig sein, die bipolaren Platten gesondert in Wachspapie­r einzuschla­gen, um Korrosion zu vermeiden, oder sie vor Auslieferu­ng einzuölen.

Betreuung über alle Prozesssch­ritte

Auf der Suche nach optimalen Lösungen erarbeitet Precision Micro auch mit deutschspr­achigen Ansprechpa­rtnern die passgenaue Materialwa­hl, das Design und die Verpackung; beispielsw­eise bietet das Unternehme­n auch eine Vakuumverp­ackung, um Verunreini­gungen vorzubeuge­n. Das Verfahren des fotochemis­chen Ätzens ist dabei stets kosten- und zeitoptimi­ert anwendbar – ein großer Vorteil auf dem umkämpften Markt.

 ?? Bilder: Precision Micro ?? Filigrane Kanal- und Rillenstru­kturen bipolarer Platten lassen sich mit fotochemis­chem Ätzen kostengüns­tig und sicher herstellen.
Bilder: Precision Micro Filigrane Kanal- und Rillenstru­kturen bipolarer Platten lassen sich mit fotochemis­chem Ätzen kostengüns­tig und sicher herstellen.
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