Hochpräzise Bipolarplatten im dynamisch temperierten Spritzprägen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Dietmar Drummer
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 510052624

Um die dringend notwendigen Kosten- und Lebensdauervorteile der Kunststoffe im Vergleich zu metallischen Werkstoffen für die Anwendung der Bipolarplatten zu erschließen, sind hohe Füllstoffgehalte zur Erzielung ausreichend hoher elektrischer Leitfähigkeit notwendig. Derart modifizierte Thermoplastschmelzen zeigen jedoch aufgrund einer deutlich erhöhten Viskosität sowie des negativen Effekts erhöhter Schmelzewärmeleitfähigkeit ein verschlechtertes Abbildungs- und Formfüllungsverhalten. Dies resultiert in Limitationen in den möglichen Dickenabmessungen sowie der Abformung feiner Kanalstrukturen bisheriger Bipolarplattengeometrien im Spritzgussprozess. Da die Ausgangsspannung pro Zelle lediglich max. 1,23 V beträgt, sind für höhere Spannungen mehrere in Reihe geschaltete Zellen erforderlich, was bei dickeren Bipolarplatten aus Kunststoff-Compound darüber hinaus erheblich größere Bauraumvolumina und Kosten verursacht. Die daher angestrebte Reduktion der Plattendicke kann nur bedingt durch höhere Einspritzgeschwindigkeiten und Werkzeugtemperaturen im Spritzgussprozess erreicht werden, da dies aufgrund des verringerten Fließquerschnitts unabhängig von der Art der Werkzeugtemperaturführung in zu hohem Druckbedarf während der Füllung sowie inhomogenen Druck- und Temperaturfeldern über den Fließweg resultiert. Dies zeigt sich auf Bauteilebene in einer verschlechterten, fließwegabhängigen Maßhaltigkeit und Abformgenauigkeit der Kanalstrukturen. Neben Abbildungsproblemen zeigen hochgefüllte Kunststoffbauteile auch ein ausgeprägt richtungsabhängiges mechanisches und elektrisches Bauteilverhalten, welches maßgeblich von den Temperatur-Druck-Scherbedingungen im Prozess bestimmt wird. Ziel des Projekts ist daher der Erkenntnistransfer der analytischen und experimentellen Auslegung der benötigten Zeit-Temperatur-Druck-Scherbedingungen im dynamisch temperierten Spritzprägen zur Realisierung von dünnwandigen und hochgefüllten Bipolarplatten mit höchstmöglicher Maßhaltigkeit und Abformgenauigkeit der Kanalstrukturen bei gleichzeitig optimierten elektrischen und mechanischen Eigenschaften. Hierbei soll die Fließfähigkeit der Kunststoffschmelze während des Urformprozesses durch die dynamische Werkzeugtemperaturführung aufrechterhalten werden. Die Kombination dieser modernen Verfahrensstrategie mit einem Prägeprozess erlaubt die flächige Nachdruckwirkung und Realisierung hoher Plattenaspektverhältnisse bei gleichzeitig höchstmöglicher Maßhaltigkeit und Abformgenauigkeit der Kanalstrukturen über den Fließweg. Durch die Kontrolle von Temperatur und Druck sowie die indirekte Einflussnahme auf die Scherung im Prozess können die bestehenden Kenntnisse zur prozessseitigen Beeinflussung elektrischer und mechanischer Bauteileigenschaften zudem in den Fertigungsprozess des dynamisch temperierten Spritzprägens übersetzt werden, um das Werkstoffpotential optimal auszunutzen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen (Transferprojekt)
• Großgeräte: Stammwerkzeug: Dynamisch temperiertes Spritzprägen
• Anwendungspartner: ARBURG GmbH & Co KG; HB-THERM AG; POLAR-FORM Werkzeugbau GmbH; PlastFormance GmbH; Proton Motor Fuel Cell GmbH