Das fotochemische Ätzen (PCE) ist die ideale Wahl für die Herstellung von Metallkomponenten in der sich schnell wandelnden Lieferkette alternativer Antriebssysteme. Seine Vielseitigkeit und Präzision ermöglichen die Fertigung unterschiedlichster Prototypen – unabhängig von der Anzahl an Designiterationen, selbst bei Formgedächtnislegierungen.
Die Gewichtsreduzierung ist ein wesentlicher Bestandteil der EV-Revolution, ein Ziel, das durch Ätzverfahren erreicht werden kann. Geeignete Anwendungen sind unter anderem Verbindungen für Alkalibatterien und Stromschienen. Zudem können beide Seiten einer Platte gleichzeitig geätzt werden. Kühlplatten für Batteriemanagementsysteme lassen sich aus Stahl, Titan oder Aluminium herstellen, ebenso wie Bipolarplatten für Brennstoffzellenstapel aus denselben Materialien.
DIE EV-REVOLUTION
Neue und nachhaltige Mobilitätstechnologien sind stark gefragt, da Initiativen in Europa und den Vereinigten Staaten den Übergang zu alternativen Antriebssystemen vorantreiben.
In der EU hat die Europäische Kommission das Ziel gesetzt, dass bis 2030 mindestens 30 % der neu verkauften Fahrzeuge elektrisch betrieben sein sollen. Zur Unterstützung dieses Ziels stehen verschiedene finanzielle Anreize zur Verfügung, darunter Zuschüsse für den Kauf von Elektrofahrzeugen und die Installation von Ladestationen. Zudem arbeitet die Kommission am Aufbau eines umfassenden Netzes von Ladeinfrastruktur in ganz Europa.
In den Vereinigten Staaten bietet die Bundesregierung eine Steuergutschrift von bis zu 7.500 US-Dollar für den Kauf eines Elektrofahrzeugs. Darüber hinaus verfügen zahlreiche Bundesstaaten über eigene Förderprogramme. Zusätzlich investiert das US-Energieministerium über 4 Milliarden US-Dollar in den Aufbau eines landesweiten Netzes von Schnellladestationen.
FOTOCHEMISCHES ÄTZEN
Als präzises Verfahren zur Herstellung von Metallbauteilen eignet sich PCE hervorragend für die Produktion zentraler EV-Komponenten wie Bipolarplatten für Brennstoffzellen. Diese können kosteneffizient, präzise und schnell gefertigt werden, während gleichzeitig Innovation durch große Gestaltungsfreiheit gefördert wird.
PCE ist ein subtraktives Metallbearbeitungsverfahren, bei dem Metall selektiv von einer ebenen Oberfläche mithilfe eines chemischen Ätzmittels entfernt wird, um gewünschte Formen oder Muster zu erzeugen. Der Prozess überträgt CAD-Zeichnungen auf transparente Fotowerkzeuge, wandelt sie in ein Negativbild um und entwickelt dieses auf einem Fotolack, der die Metalloberfläche bedeckt.
Das Verfahren bietet zahlreiche Vorteile, da es die Herstellung filigraner Bauteile mit komplexen Mustern oder variierenden Öffnungsprofilen in dünnen Metallblechen ermöglicht – von wenigen Dutzend Mikrometern bis zu etwa 2 Millimetern Dicke. Es übertrifft andere Methoden wie das klassische Schneiden und Stanzen von Metall.
Ätzverfahren können bei einer Vielzahl von Metallen eingesetzt werden – von Edelstahl über Kupfer und Nickel bis hin zu Aluminium, einschließlich Verbundmaterialien und Formgedächtnislegierungen. Jedes Metall weist eigene Ätzeigenschaften auf, und die Expertise eines PCE-Spezialisten ermöglicht die Anpassung der Ätzchemie an das jeweilige Material, um optimale Ergebnisse zu erzielen.
PCE & HERSTELLUNG VON BIPOLARPLATTEN
Da der globale Markt für Brennstoffzellen bis 2025 voraussichtlich ein Volumen von 25 Milliarden US-Dollar erreichen wird, hat der internationale Druck zur Diversifizierung der Energiequellen ein starkes Investitionsinteresse an alternativen Energien ausgelöst – wobei Brennstoffzellen zu den vielversprechendsten Lösungen zählen.
Die Anforderungen an höhere Effizienz und geringere Kosten bei Brennstoffzellen haben erheblichen Einfluss auf die verwendeten Materialien und Fertigungsverfahren.
Historisch gesehen war CNC-bearbeiteter Graphit das bevorzugte Material für Bipolarplatten. Allerdings ist dieses relativ teuer und weist eine hohe Permeabilität auf, was es für die Massenproduktion ungeeignet macht. Metalllegierungen wie Edelstahl und Titan gewinnen aufgrund ihrer Kosteneffizienz und einfachen Verarbeitbarkeit zunehmend an Bedeutung. Edelstahl bietet zudem Vorteile wie hohe Festigkeit, chemische Beständigkeit und Langlebigkeit.
Brennstoffzellen bestehen aus komplex bearbeiteten Platten mit Kanälen für den Gas- und Flüssigkeitsfluss. Die Skalierbarkeit und Leistungsfähigkeit von CNC-Bearbeitung, Hydroforming und Stanzverfahren sind jedoch begrenzt.
Zwar sind Stanzen und Hydroforming gängige Verfahren, doch können sie Probleme wie mangelnde Ebenheit sowie Spannungen und Grate verursachen. Darüber hinaus sind Einzelpunktbearbeitung und Presswerkzeuge zeit- und kostenintensiv – insbesondere in Forschung und Entwicklung.
PCE bietet Herstellern eine praktikable Möglichkeit, komplexe Komponenten wie Bipolarplatten mit deutlichen Vorteilen zu fertigen.
Durch den Einsatz digitaler Werkzeuge statt physischer Werkzeuge ist PCE besonders kosteneffizient und ermöglicht eine schnelle Anpassung von Designs – ein großer Vorteil bei der Optimierung ohne hohe Zusatzkosten.
Das Verfahren erlaubt eine schnelle Skalierung vom Prototyp zur Serienproduktion, nahezu ohne Einschränkungen hinsichtlich der Bauteilkomplexität – ideal für Bipolarplatten, die frei von Fehlern sein müssen, um eine zuverlässige Verbindung im Stack zu gewährleisten. Dabei bleiben Materialeigenschaften unverändert, das Verfahren ist für alle Stahlqualitäten geeignet, und eine Genauigkeit von ±0,025 mm wird erreicht – innerhalb von Tagen statt Monaten.
PCE ist eine vielseitige Technologie, die das gleichzeitige Abtragen von Material ermöglicht. Dadurch können komplexe Muster und Kanäle mit einer Genauigkeit von 0,025 mm auf beiden Seiten einer Platte geätzt werden. Elemente wie Verteiler, Sammler oder Anschlüsse lassen sich ohne zusätzliche Kosten realisieren.
Die micrometal Etching Group ist zudem in der Lage, solche Komponenten auch aus schwer zerspanbaren und exotischen Metallen wie Titan herzustellen – für geringeres Gewicht und besseren Korrosionsschutz in Hochtemperatur-Brennstoffzellenanwendungen.
Das PCE-Verfahren ist aufgrund seiner Vielseitigkeit eine überzeugende Lösung für die Herstellung komplexer Blechbauteile in unterschiedlichsten Anwendungen. Es fördert Innovation, beseitigt Einschränkungen traditioneller Fertigungstechnologien und bietet Konstrukteuren mehr Gestaltungsfreiheit.
ZUSAMMENFASSUNG
PCE bietet Flexibilität und Kosteneffizienz bei der Herstellung von Bipolarplatten und ermöglicht die schnelle Produktion unterschiedlichster Designs. Zudem wird das Potenzial durch die Möglichkeit verstärkt, Materialien wie Edelstahl, Nickellegierungen, Kupfer, Aluminium, Titan und weitere Legierungen zu ätzen.
