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08.03.2018

Optisches Messsystem mit 3D Mehrkanal-Profilometer von Nanofocus

Kontrolle von Brennstoff-Zellenkomponenten

Die Elektromobilität verlangt von Automobilherstellern und deren Zulieferern die Entwicklung und den Aufbau neuer Produktionsverfahren. Mithilfe eines neuartigen optischen Verfahrens kann die Oberflächenqualität von Bipolarplatten (Elektroden der Brennstoffzelle) fertigungsnah kontrolliert werden.

Mikro-Defektanalyse mit Tiefenauswertung (© Nanofocus)

Brennstoffzellen, die Teil des Elektromobilitätskonzepts sind, werden im Sandwich-Verbund (Stack) aus einer Schichtung von mehreren Hundert Einzelkomponenten hergestellt. Deren individuelle Maßhaltigkeit und Fehlerfreiheit ist qualitätsentscheidend für den Gesamtaufbau.

Die mäanderförmige Mikrokanalstruktur der einzelnen dünnen, folienartigen Bipolarplatten (Elektroden der Brennstoffzelle) ist verantwortlich für die geregelte Zu- und Abfuhr des Reaktionsgases. Um die Gesamtdicke des Stacks und damit das Gewicht der Brennstoffzelle möglichst gering zu halten, werden die Materialdicken sehr dünn ausgeführt, was für die Umformtechnik eine große Herausforderung darstellt. In der Produktion muss daher die Prägequalität fortlaufend kontrolliert werden.Wichtige Qualitätskriterien sind:

  • die Einhaltung der Biegeradien in den Kanalzonen,
  • die Erkennung von Werkzeugverschleiß und Fehlern,
  • die Bestimmung der Positionsgenauigkeit der Kanäle bezogen auf Verbindungs-Fixpunkte,
  • die Materialausdünnung (Dickenmessung).

Da die zu erfassenden Merkmale meist eine sehr hohe Winkel- und Ortsauflösung erfordern, scheiden schnelle, großflächig arbeitende Bildverarbeitungsverfahren (z.B. Stereo-Vision) oder Methoden der strukturierten Beleuchtung (Streifenprojektion, Shape from Shading, Triangulation) hierfür als Messmittel meist aus.

Große Bipolarplatten können vermessen werden

Für diese Anforderung hat die Nanofocus AG, Oberhausen, ein optisches Verfahren entwickelt, das auf dem konfokalen Messprinzip des 3D-Mehrkanal-Profilometers basiert. Die Entwicklung des Verfahrens wurde gefördert durch das EU-Projekt Supersurf.

Die konfokale Mehrkanalsensorik bietet gegenüber konfokal-mikroskopischen Verfahren im Einzelfeld (z.B. 3D-Laserscanning-Mikroskopie) den Vorteil größerer Messfelder, da die Scanlänge dynamisch durch den Stellweg der Vorschubachse bestimmt ist. In Kombination mit Achssystemen von bis zu 0,5 m Stellweg können somit auch große Bipolarplatten vermessen werden.

Speziell zum Einsatz kommt dabei erstmals ein von Nanofocus im Rahmen des kürzlich abgeschlossenen BMBF-Projekts HICOS3D neu entwickelter Hochgeschwindigkeitssensor, der laut Hersteller eine Gesamt-Datenrate von bis zu 5 Millionen 3D-Messpunkten pro Sekunde erlaubt. Die Einzelwerte der bis zu 256 Kanäle werden zeit- oder positionsgetriggert mit einer Frequenz von bis zu 20 kHz je Kanal ausgelesen.

Damit lässt sich bei Bedarf die komplette Fläche einer Bipolarplatte innerhalb weniger Minuten mit einer Auflösung bis unter 50 nm und einer Winkelauflösung > 50 Grad dreidimensional einscannen (Bilder 1 und 2). Diese Kombination von hoher Datenrate und Auflösung ist nach Angaben von Nanofocus weltweit einzigartig.

Selektive Messungen an kritischen Positionen möglich

Neben der Kanalstruktur können auch Schweißverbindungen zur Kontaktierung der Zellen und die Dichtungsbahnen auf Fehler überprüft werden. Eine komplette hochaufgelöste Messung der Bipolarplatte kommt aufgrund der geforderten Fertigungs-Taktzeiten im Sekundenbereich nur für die statistische Produktionskontrolle oder die Anlaufphase der Fertigung zur Einstellung der Prozessparameter infrage. Da Langzeit-Schwankungen im Produktionsprozess jedoch die Serienqualität erheblich beeinträchtigen können, insbesondere in Hinsicht auf den unvermeidbaren Werkzeugverschleiß, ist diese Art der Produktionskontrolle von großem Nutzen für den Anwender.

3D-Komplettmessung mit Auswertung des Kanalprofils (© Nanofocus

Falls taktzeitgerechte Messungen gefordert sind, können einzelne selektive Messungen an kritischen Positionen programmiert werden. Bei höchster lateraler Auflösung von 2,5 µm je Messpunkt dauert die Aufnahme eines zusammenhängenden Messfelds von 100 mm2 weniger als 4 s.

Aufgrund der Verwölbung der dünnen folienartigen Bipolarplatten müssen gegebenenfalls individuell angepasste mechanische Niederhalter eingesetzt werden, um den Höhenmessbereich (abhängig vom Sensor, maximal ca. 1 mm) nicht zu überschreiten.

Neben der Maßhaltigkeitsanalyse und Fehlerprüfung im Produktionsprozess können innerhalb der Entwicklung mit den Messergebnissen Kanalstrukturen zur Erhöhung von Lebensdauer und Wirkungsgrad angepasst und optimiert werden. Auch die Messung der Umformwerkzeuge ist wichtiger Bestandteil der Qualitätskontrolle.

Unter Verwendung von Filtern für den Datenexport kann der Soll-Ist-Vergleich direkt im CAD-Programm durchgeführt werden. Zur Fehleranalyse stehen zusätzliche schnelle Softwaremodule zur Verfügung, insbesondere für die Fehlerprüfung von Mikroschweißnähten. Für eine optional erforderliche Rauheitsmessung oder Strukturanalyse der Elektrolytmembranen kann das System zusätzlich mit mikroskopischen 3D-Flächensensoren ausgestattet werden.
Jürgen Valentin

Nanofocus AG
www.nanofocus.de

Unternehmensinformation

NanoFocus AG

Max-Planck-Ring 48
DE 46049 Oberhausen
Tel.: 0208 62000-0
Fax: 0208 62000-99

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