Methodik zur ganzheitlichen Prozesskettenanalyse und -modellierung am Beispiel der Bipolarplatten-Fertigung

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr.-Ing. Verena Psyk; Professor Dr.-Ing. Frank Walther
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 558559056

Um im Rahmen der Energiewende den Ausbau der Wasserstoffwirtschaft und die Etablierung von Wasserstoff als Sekundärenergieträger voranzutreiben, ist die Produktion leistungsstarker Brennstoffzellen von zentraler Bedeutung. Entscheidend für die Qualität der Brennstoffzellen ist hierbei die Beschaffenheit der eingesetzten Bipolarplatten (BPP), die in großer Anzahl zu einem Stapel (Stack) kombiniert werden und wichtige Funktionen wie Medienführung und Kühlung übernehmen. Um die Brennstoffzellentechnologie für den Massenmarkt zugänglich zu machen ist folglich eine kostengünstige und großvolumige Produktion defektfreier BPP unerlässlich. Aktuell werden bei der Prozesskette für die Produktion von BPP einzelne Prozessschritte isoliert analysiert, modelliert und optimiert. Hierdurch findet eine rein sequentielle Auslegung der Prozesskette statt, wobei Wechselwirkungen zwischen den Fertigungsverfahren und Unsicherheiten entlang der Prozesskette nicht hinreichend berücksichtigt werden können. So ist aktuell weitestgehend unklar, wie sich Abweichungen in den einzelnen Prozessstufen auf die Endqualität der BPP auswirken und in welchem Rahmen Abweichungen, bspw. geometrischer Natur, toleriert werden können. Diese fehlende Verknüpfung einzelner Prozessstufen führt zu Unsicherheiten bei der Festlegung von Toleranzen und Prozessparametern, was die Kosten und Ressourceneffizienz negativ beeinflusst. Eine prozesskettenübergreifende Analyse der Fertigung von BPP ermöglicht die Erschließung bislang nicht gehobener Innovationspotenziale. Im Rahmen des Projektes ist hierfür vorgesehen ein Gesamtmodell der Prozesskette durch Kopplung von Einzelmodellen zu erstellen, auf dessen Grundlage eine inverse Analyse der Prozesskette durchgeführt werden kann. So kann eine multikriterielle Optimierung des Fertigungsprozesses von BPP unter Berücksichtigung stochastischer Unsicherheiten aus Prozess, Modellbildung und Messtechniken, erfolgen. Um dieses Ziel zu erreichen, erfolgt im Projektverbund eine interdisziplinäre Zusammenarbeit in den Bereichen der Produktionstechnik, Messtechnik, Werkstofftechnik und Modellierung. Um zentrale, qualitätsrelevante Kriterien der BPP, wie die Gasdichtheit, die Maßfehler der Kanalquerschnittsgeometrie und Formfehler, zu überprüfen werden im Projekt sowohl off-line- als auch in-line-fähige, zerstörungsfreie Messsysteme zur Überwachung der Halbzeuge entlang der Prozesskette ertüchtigt. Die Kombination zahlreicher Messsysteme ermöglicht hierbei eine umfangreiche Abbildung der Prozesskette. Die Auswirkungen der zentralen Prozessstellgrößen auf die qualitätsrelevanten Kriterien wird in Stellgrößen-Sensitivitätsuntersuchungen untersucht und mit experimentell generierten Daten überprüft. Die so erhobene Datenbasis wird genutzt um sowohl die Modelle der Einzelprozesse als auch der gesamten Prozesskette zu validieren. Ziel ist es, eine möglichst kompakte virtuelle Prozesskette zu erlangen die eine effiziente Abbildung und Optimierung ermöglicht.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2476: Prozessübergreifende Modellierung in der Produktionstechnik