Die steigende Verbreitung von Fahrzeugen mit Brennstoffzellen- und Elektroantrieben sorgt dafür, dass auch Lösungen für Dichtheitsprüfungen verstärkt nachgefragt werden. Denn wo Wasserstoff oder Elektrolyte Verwendung finden, ist Dichtheit ein unverzichtbares Qualitäts- und Sicherheitsmerkmal. Zwei typische Bauteile sind Bipolarplatten und Batteriezellen. Diese werden zu Brennstoffzellenstacks oder Batteriepacks zusammengebaut und in großen Stückzahlen gefertigt.

Zunehmend engagieren sich die verschiedensten Unternehmen im Bereich der Elektromobilität, um sich Marktanteile in diesem wachsenden Segment zu sichern. Doch die im Entwicklungs- und Fertigungsprozess notwendigen Dichtheitsprüfungen sind zunächst einmal eine Hürde, da ein entsprechendes Hightech-Equipment und spezielles Knowhow notwendig sind. Aus diesem Grund bietet ZELTWANGER, führender Hersteller von Dichtheitsprüftechnik und deren Automatisierung, neuerdings die Prüfung von Prototypen und Kleinserien als Serviceleistung an. „Wir begleiten unsere Kunden from lab to fab, d. h. von den ersten Musterbauteilen bis in die Serienfertigung. Unser Testing-as-a-Service Angebot ermöglicht es ihnen, die Machbarkeit ihres Produkts zu evaluieren. Dadurch lassen sich Kosten und Risiko in der Anlaufkurve drastisch reduzieren“, präzisiert Jochen Kober, Industry Manager E-Mobility bei ZELTWANGER. Entscheidet sich der Kunde für die Markteinführung des Produkts, bietet ZELTWANGER ein skalierbares Anlagenkonzept für die eigenständige Fortführung der Prüfprozesse. Die Prüfstationen können zunächst manuell oder halbautomatisch betrieben und später, bei steigenden Stückzahlen, vollautomatisiert und verkettet werden. Der Experte hält dabei fest: „Nach der Validierung in der Prototypenphase muss nicht nochmals für die Serie nachvalidiert werden. Prüfwerkzeug und Prozess lassen sich problemlos auf andere Anlagen transferieren.“ Der Service der Tübinger nimmt dem Bauteilhersteller die Validierung also vollständig ab.

Das Prüfwerkzeug ist neben der Prüfstation die zentrale Komponente. Es besteht zumeist aus Ober- und Unterteil, auch Stempel können vorhanden sein. Beim Prüfvorgang werden beide Hälften zusammengepresst, gleichzeitig wird das Werkstück mit dem Druck des Prüfmediums beaufschlagt. Wichtig: Das Werkzeug muss sich von allen Seiten exakt an das Bauteil anschmiegen, um Verformungen zu unterbinden. Alle Werkzeugteile werden daher individuell und mit höchster Genauigkeit gefertigt.

Darüber hinaus wählt ZELTWANGER für den Kunden das passende Prüfverfahren aus. Bei einfacheren Prüfungen, beispielsweise zur Grobaussage über das Schweißergebnis, kommen effiziente Verfahren wie die Druckänderungsmessung mittels Luft zum Einsatz. Geht es hingegen darum, kleinste Lecks festzustellen, werden Prüfverfahren mit Nachweisgasen wie Helium genutzt.

Mit letzterem ist es möglich, Leckraten bis 1 x 10-6 mbar l/s nachzuweisen. In diesen Regionen zählt das Massenspektrometer nur noch einzelne Moleküle. Dass so geringe Mengen des Nachweisgases den Weg durch das Material finden, liegt an den Produktionsprozessen wie Prägen oder Schweißen. Diese können feinste Mikrorisse verursachen. Bei graphitischen Bipolarplatten kann das Grundmaterial bereits über Mikrorisse verfügen. Angesichts derartig kleiner Leckage-Mengen ist die Frage nach der Reproduzierbarkeit der Ergebnisse berechtigt. „Für zuverlässige Tests ist es wichtig, dass keine Moleküle des Nachweisgases im Prüfsystem verbleiben. Das ist eine Herausforderung, die viel Hightech erfordert, die wir aber gut im Griff haben“, so Jochen Kober.

Bipolarplatten sind Schlüsselbauteile in Brennstoffzellen und Elektrolyseuren. Sie leiten den Strom zwischen den Zellen und verteilen die Reaktantien Wasserstoff und Sauerstoff. Hinzu kommt eine Kühlfunktion. Die meisten Bipolarplatten werden aus dünnem Blech bzw. Folie (Edelstahl, Aluminiumlegierungen, Titan) gefertigt. Ein anderer Werkstoff ist Graphit. Die Herstellung der metallischen Varianten erfolgt durch klassische Umformverfahren oder Hydroforming. Dabei werden auch die Kanäle für die Gasverteilung eingebracht, welche den Platten die typische Optik verleihen. Eine Bipolarplatte besteht aus zwei Hälften, die in der Regel mit dem Laser verschweißt werden. Im Innern fließt später das Kühlmedium. Die Reaktantien strömen entlang der Kanäle auf den Außenseiten.

Lamellenwärmetauscher kommen in zahlreichen technischen Anlagen zum Einsatz, etwa in Gebäudeheizungen, Klimaanlagen oder in den Produkti­onsanlagen vieler Industrien. Weitere wichtige Anwendungen finden sich in Fahrzeu­gen, z. B. Frontkühler, Klimaanlage, zunehmend auch Kühlsyste­me für Antriebsbatterien. Aufgrund der Stückzahlen ist der Automotive-Be­reich eine Fokus-Bran­che für die Wärmetauscher-Experten. Als Lamellen-Material hat sich dort Aluminium durchgesetzt, das als Band von der Rolle verarbeitet wird. Auf hochproduktiven Wellrippenwalzmaschinen erzeugen besondere Walz­werkzeuge (fin form rolls) die typische wellenartige Kontur der Lamellen. Die Bandgeschwindigkeit erreicht Werte um 6.5 m/s. Für eine lange Le­bensdauer der Walzen ist Schmieröl aufzutragen. Da beim späteren Einbau die Lamellen verlötet werden, ist das Öl jedoch nach dem Umformen wie­der vollständig zu entfernen. Dies geschieht durch Ver­dampfen, weshalb spezielles Verdampferöl verwendet wird.

Wladimir Leimann, Geschäftsbereichsleiter bei ZELTWANGER Thermoma­nagement, erklärt vor diesem Hintergrund: „Unsere neue Beölungsein­heit trägt nur soviel Öl auf, als unbedingt notwendig. Wir sprechen von Minim­almengenschmierung. Damit sichern wir die Qualität der Lötverbin­dung. Wir haben uns außerdem für eine Stand-Alone-Lösung entschieden, die in jede vorhandene Wellrippenwalzmaschine integriert werden kann. Folglich steht unsere Technologie allen Herstellern von Wärmetauscherla­mellen zur Verfügung.“

Das Konzept von ZELTWANGER und seine Vorteile im Detail: Zwei einstell­bare Zerstäuberdüsen besprühen das Bandmaterial von beiden Seiten. Die Experten aus Tübingen stellen die Düsen auf das vorhandene Öl (Viskosi­tät, Dichte) präzise ein. Der Anwender bekommt also eine justierte Anlage an die Hand. Zudem passt die Beölungseinheit Sprühbreite und Ölmenge automatisch an die gespeicherte Bandbreite und die aktuelle Geschwindig­keit an, um eine gleichmäßige Beschichtung zu gewährleisten, optimale Löt­ergebnisse zu unterstützen und den Ölverbrauch effizient zu halten.

Bezüglich der Ölversorgung hat der Anwender alle Möglichkeiten. Er kann die Einheit manuell mittels Trichter befüllen, über eine elektrische Fass­pumpe und tropffreier Schnellkupplung, oder über eine vorhandene Werk­spipeline. In jedem Fall ist die Befüllung während der Produktion ohne Ma­schinenstopps möglich. Wichtig dabei: es ist kein Druckbehälter notwen­dig, denn das Öl wird von einer mechanischen Pumpe befördert. Demzufol­ge bildet sich kein Ölnebel, der abzusaugen wäre. Der Arbeitsplatz bleibt sauber, es entstehen keine zusätzlichen Kosten. Zudem gelangt das wenige übersprühte Öl in einen Filter und verbleibt im Kreislauf. Unter dem Strich reduziert sich der Ölverbrauch um bis zu 70%. Ähnliches gilt für den Mate­rialverbrauch.

Die Flexibilität geht aber noch weiter. Die Beölungseinheit eignet sich nicht nur für Alu und seine besonderen Anforderungen, sondern auch für Werk­stoffe wie Edelstahl oder Kupfer. Die entsprechenden Parameter sind leicht via HMI zu ändern. Ferner ist auch eine Integration in Rohrfalz- oder Rohr­schweißmaschinen möglich.