Tecnologia di misura 3D e teste di taglio laser innovative per una produzione in qualità di celle a combustibile
L'energia di un veicolo elettrico proviene da una batteria o da una cella a combustibile. Le celle a combustibile sono costituite da una pila, cioè sono costruite a strati. I singoli elementi sono la piastra bipolare, la guarnizione, lo strato di diffusione del gas (GDL) e il gruppo elettrodo membrana (MEA).
Indipendentemente dal fatto che si utilizzino piastre bipolari metalliche o in grafite, i requisiti per la nostra tecnologia di misura 3D sono simili. Si tratta di misurare con esattezza parametri geometrici come la profondità e la spaziatura dei canali, la posizione del nastro canale, la rugosità dei canali o la determinazione degli spessori degli strati plastici o metallici. In particolare, per la determinazione dello spessore dei singoli strati possiamo affidarci a diverse tecnologie a seconda che si tratti di analizzare strati trasparenti che non.
Le piastre bipolari metalliche sono fogli sottili con uno spessore di circa 50-75 micrometri e sono solitamente punzonate; in alcuni casi i piccoli fori sulle lastre vengono realizzati al laser, e in questo caso, vengono utilizzate le nostre ottiche di taglio laser. Inoltre, le singole piastre bipolari vengono saldate insieme. A seconda delle dimensioni e del numero di piastre bipolari, una cella a combustibile può contenere circa 500m di saldature laser. Il monitoraggio delle saldature e della loro qualità è quindi una fase fondamentale nella produzione di massa di celle a combustibile.
Soluzioni per le fasi di produzione delle celle a combustibile
Le piastre bipolari sono un componente importante nelle celle a combustibile, in quanto separano gli elettrodi dall'elettrolita e allo stesso tempo conducono la corrente tra gli elettrodi. Due piastre, ciascuna con uno spessore compreso tra 50 e 100 micron, devono quindi essere saldate insieme a tenuta di gas per formare una struttura stabile e conduttiva. Spesso sono realizzate in metallo come l'acciaio inossidabile.
Quando si devono mettere a contatto le superfici di piastre sottili, la saldatura è solitamente molto stretta e profonda, con conseguente elevata resistenza e conduttività della saldatura. La saldatura laser può assumere varie forme, come un punto (cordone a gradino o a contatto) o una linea (cordone di tenuta).
Per ogni piastra bipolare è necessario circa 1 m di saldatura. Una pila è composta da circa 400 piastre bipolari e quindi ha 400m di cordone di saldatura, che deve soddisfare i più alti standard qualitativi: deve, infatti, essere ermetico. Per consentire tempi ciclo elevati, la saldatura viene eseguita molto rapidamente a circa 600-800 mm/s, ossia appena al di sotto del cosiddetto "humping limit". Durante il processo di saldatura è necessario un attento monitoraggio e controllo del processo. I nostri sensori rilevano anche i più piccoli difetti di saldatura che possono causare perdite nelle saldatura a tenuta. Inoltre, il sistema di monitoraggio tiene conto delle elevate velocità di saldatura dei cordoni di siggilatura o della breve durata della saldatura dei cordoni di contatto: il campionamento avviene, infatti, con una frequenza fino a 250 kHz.
Dimensioni ridotte, elevata accurattezza della misura, e tempi di ciclo critici sono alcune delle sfide principali nell'ottenimento della topografia delle celle a combustibile. Le piastre bipolari devono essere misurate per garantirne la tolleranza dimensionale, in quanto la qualità delle piastre bipolari è fondamentale per l'efficienza e la densità di potenza della cella a combustibile. I parametri che devono essere monitorati sono lo spessore della lastra, la profondità e la larghezza dei canali, la distanza tra i canali e la corrispondenza ai precisi requisiti di progettazione.
Per affrontare queste sfide di misura, Precitec offre tre soluzioni specifiche: il CHRocodile 2 DPS per le misure di spessore;
CHRocodile CLS 2 per un'ispezione 3D ultraprecisa di profili;
e il Flying Spot Scanner 310 per misure di geometria e/o forma. Grazie alla possibilità di movimentare il punto è possibile misurare esattamente sul percorso effettuato, anche su lastre di grandi dimensioni, senza bisogno di spostare il campione.
La sfida consiste nel misurare con precisione lo spessore dei rivestimenti metallici (oro o titanio) sulle piastre bipolari. Questi rivestimenti devono avere esattamente un determinato spessore per evitare la corrosione e garantire un'elevata conducibilità elettrica.
La soluzione ideale per misurare i rivestimenti delle piastre bipolari delle celle a combustibile è la tecnologia fototermica laser di Precitec "Enovasense", che consente di misurare intere superfici con un livello di precisione eccezionale. Questa tecnologia consente di effettuare misure senza contatto, non distruttive, non intrusive e non radiative, dello spessore del rivestimento metallico con un eccezionale livello di ripetibilità, in un processo rapido ed economico. I vantaggi sono rappresentati da una migliore qualità del processo grazie alla misura in linea o fuori linea effettuata da un dispositivo compatto e leggero, facilmente integrabile nei processi produttivi. È possibile coprire più punti di misura in pochi secondi attraverso cicli pre-programmati se il sensore è integrato nella stazione di controllo a 3 assi HKL2, completamente automatizzata.
Ulteriori campi di applicazione della mobilità elettrica
Batteria
Le celle delle batterie sono il cuore dell'elettromobilità, e sono quindi fondamentali per la sicurezza, la durata e le prestazioni dei veicoli elettrici. I nostri prodotti laser e di misura 3D contribuiscono alla continua innovazione nella produzione di batterie, riducendone i costi e aumentandone le prestazioni.
Propulsione
I moduli dell'azionamento elettrico sono costituiti , tra l'altro, dallo statore, dal rotore e dall'elettronica di potenza. Per una saldatura laser di elevata qualità degli statori (saldatura degli hairpin), sono fondamentali hairpin ben "spellati" (rimozione del rivestimento). Siamo in grado di rilevare i residui di vernice sui fili e di adattarne i processi di saldatura laser di conseguenza.