WALZMASCHINE UND VERFAHREN ZUM HOHLPRÄGE- UND SCHNEIDWALZEN

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Walzmaschine und ein Verfahren zum Hohlpräge- und Schneidwalzen, mit zumindest einem zwei Walzwerkzeuge umfassenden Walzenpaar, welches zwischen sich einen Walzspalt definiert, wobei zunächst eines der Walzwerkzeuge eine Präge- und Schnittkontur aufweist, um ein Prägen und Schneiden von Werkstücken aus einem bandförmigen Ausgangsmaterial beim Durchgang durch den Walzspalt zu ermöglichen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Walzmaschine zum Hohlpräge- und Schneidwalzen sowie ein Verfahren dazu.

STAND DER TECHNIK

[0002] Um produktiv in hoher Taktrate zu produzieren, werden in der Papier- und Verpackungsindustrie Bauteile, bzw. Werkstücke durch ein Walzprägeverfahren im Rolle-Rolle-Prinzip gefertigt. Derartige Verfahren werden auch zur Herstellung von Bipolarhalbplatten für Elektrolyseure und Brennstoffzellen entwickelt. Dabei handelt es sich im Allgemeinen um Verfahren aus dem Bereich der Kalt-Blechumformung, im Speziellen um Längswalzverfahren.

[0003] Das in dem Hohlprägeverfahren hergestellte Walzgut wird nach dem Stand der Technik in einem zweiten Prozessschritt aus dem Band getrennt bzw. geschnitten. Dieser Schneidprozess kann sowohl durch eine Schneidvorrichtung mit linearer Schnittbewegung, zum Beispiel eine Presse, oder durch ein Walzschneidverfahren erfolgen.

[0004] Sehr aufwendig beim aktuellen Stand der Technik ist es, die Prägekontur und die Schnittkontur der Maschinen zueinander auszurichten. Durch die räumliche Trennung der Präge- und der Schnittmaschinen kommt es oftmals zu einem nicht tolerierbaren Versatz der Präge- und Schnittkonturen auf dem Werkstück. Entsprechend hoch ist der Ausschuss an nicht verwendbaren Werkstücken.

[0005] Aus WO 00/53355 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Plattenteilen für einen Wärmetauscher bekannt, wobei ein Plattenmaterial in Form einer Endlosbahn zwischen zwei Walzen geführt, dort geformt und gleichzeitig beim Formen in eine endgültige Form geschnitten wird. Die äußeren Kanten der Plattenteile und die äußeren Kanten von in den Plattenteilen einzubringenden inneren Aussparungen sind jeweils ebene Flächen, sodass sie leicht geschnitten werden können.

[0006] DE 43 19 300 A1 zeigt ein Verfahren zum Herstellen von mit ausgestanzten Laschen versehenen Halvenschienen, bei welchem ein Blechmaterial zwischen zwei Rollen einer Rollenstanze hindurchläuft, die mit Patrizenwerkzeugen und Matrizenwerkzeugen versehen sind, um aus dem Material Halfenschienen mit Laschen mit punktförmigen Ausformungen, sowie außerhalb der Laschen Löcher zu erzeugen. Die Rollenstanze erzeugt dabei in einer ebenen Profilbasis des Blechprofils längslaufende Laschen, die durch eine Schneidlinie von U-förmigem Verlauf und durch eine Prägelinie begrenzt sind. Hierzu sind in der Patrize und in der Matrize zusammenwirkende längslaufende Schneidkanten vorgesehen, die jeweils an einem Ende durch eine bogenförmige Schneidkante und am anderen Ende durch eine nicht schneidende stumpfe Biegekante verbunden sind.

[0007] DE 10 2022 104 250 A1 offenbart ein Verfahren zum Walzen von Dünnblech für eine elektrochemische Zelle, bei der die Umformung des Blechs durch eine Walzanlage mit zwei Walzen beschrieben wird, die eine Oberflächenstruktur aufweisen und synchron betrieben werden.

[0008] Die Herstellung von Walzen mit integrierter Oberflächenstruktur ist arbeits- und energieaufwendig, erfordert sie ausgehend von einer Rohwalze viel Freistellungsarbeit durch Materialabtragung, beispielsweise durch Fräsen, Schleifen, oder dergleichen. Das Herstellen von zugeschnittenen Werkstücken mit komplexen Strukturen, etwa einem Randausschnitt und innenliegenden Ausschnitten bei gleichzeitiger 3-D Prägung, ist mit den bekannten Technologien bisher nicht bzw. nicht kostendeckend möglich.

[0009] Beim Einsatz separater, in die Walzenoberfläche eingebauter Patrizenwerkzeuge und Matrizenwerkzeuge wird außerdem als nachteilig angesehen, dass sich aufgrund der Toleranz bei der Passung der zusammengefügten Teile im Dauerbetrieb die Qualität der erzeugten Werkstücke zu stark verringert, wodurch sich eine derartige Maschine nicht für die Massenproduktion eignet.

[0010] Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Qualität der Werkstücke zu verbessern und Verformungen am Werkstück und Ausschuss zu minimieren. Eine weitere Aufgabe besteht darin, möglichst gratfreie oder zumindest gratarme Werkstücke herzustellen. Eine noch weitere Aufgabe besteht darin, die Walzmaschine kostengünstig herzustellen.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

[0011] Die Aufgabe wird gelöst durch eine Walzmaschine, insbesondere Längswalzmaschine, zum Hohlpräge- und Schneidwalzen, mit zumindest einem zwei Walzwerkzeuge umfassenden Walzenpaar, welches zwischen sich einen Walzspalt definiert, wobei ein Walzwerkzeug als eine Patrize ausgebildet ist und ein weiteres Walzwerkzeug als Matrize ausgebildet ist, wobei die Patrize und die Matrize zwischen sich den Walzspalt definieren und wobei zumindest eines der Walzwerkzeuge eine Präge- und Schnittkontur aufweist, um ein Prägen und Schneiden von Werkstücken aus einem bandförmigen Ausgangsmaterial beim Durchgang durch den Walzspalt zu ermöglichen. Es ist vorgesehen, dass der Walzspalt eine Plattenebene der Werkstücke definiert, wobei die Präge- und Schnittkontur ausgebildet ist, um in den Werkstücken Erhebungen gegenüber der Plattenebene zu erzeugen, und dass zumindest eine Schnittkontur einen 3D-Schnitt erzeugt, der sich über eine Erhebung erstreckt.

[0012] Es ist also vorgesehen, dass die Präge- und Schnittkontur ausgebildet ist, um einen Schnitt von durch die Prägung verformten Bereichen des Werkstücks auszuführen.

[0013] Ein 3D-Schnitt kann im Rahmen der vorliegenden Offenbarung so verstanden werden, dass der Schnitt zumindest einen Abschnitt enthält, welcher in einem Winkel ungleich 0, bevorzugt größer als 5°, größer als 20° oder größer als 45° zur Plattenebene verläuft. Der Schnitt kann also durch eine zweidimensionale gekrümmte Kurve oder durch eine dreidimensionale gekrümmte Kurve im Raum beschrieben werden. Unter einem 2D-Schnitt wird demgegenüber verstanden, dass der Schnitt in der Plattenebene oder parallel zur Plattenebene verläuft. Ein 2D-Schnitt im Sinne der vorliegenden Offenbarung beschreibt also eine eindimensionale oder eine zweidimensionale Kurve im Raum.

[0014] Die Walzmaschine ermöglicht also vorteilhaft das gleichzeitige Prägen und Schneiden von Werkstücken durch einen kombinierten Walz-Schneidprozess für bandförmige Bauteile. Die Prägekontur und die Schnittkontur auf dem Werkstück sind entsprechend präzise zueinander ausgerichtet. Durch die räumliche Nähe der Präge- und der Schnittkonturen auf den Walzwerkzeugen wird der Versatz der Präge- und Schnittkonturen auf dem Werkstück minimiert.

[0015] Vorteilhaft kann durch die Verfahrenskombination der Prägeprozess gleich als Niederhalter für den Schneidprozess dienen und so eine unzulässige Verformung verhindern und die Gratbildung am Werkstück minimieren.

[0016] Die bandförmigen Bauteile können z.B. aus Papier, Metallen, Kunststoffen oder Verbundstoffen bestehen. Die Werkstücke können zum Beispiel Kaffeefilter, Bipolarhalbplatten, Kunststoffblister, Verpackungsbehälter o. Ä. sein.

[0017] Mit der Walzmaschine können plattenförmige Werkstücke erzeugt werden, die bezüglich der Plattenebene Verformungen mit Schnitten darin aufweisen und beispielsweise offene Kanäle in der Plattenebene ausbilden.

[0018] Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Erhebungen bezüglich der Plattenebene im Wesentlichen oder vollständig in einer Richtung ausgebildet sind.

[0019] Unter "im Wesentlichen" in einer Richtung wird dabei verstanden, dass mehr als 50%, bevorzugt mehr als 70%, weiter bevorzugt mehr als 80%, noch weiter bevorzugt mehr als 90% der Erhebungen bezüglich der Plattenebene auf derselben Seite liegen, wobei sich die Prozentangabe auf die Masse des Materials bezieht.

[0020] Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Präge- und Schnittkontur jeweils auf beiden Walzwerkzeugen ausgebildet. Bevorzugt sind die Walzwerkzeuge dazu ausgebildet, um ein Scherschneiden, Messerschneiden und/oder ein Beißschneiden auszuführen. Die Schnittkontur des jeweiligen Walzwerkzeugs umfasst hierzu entsprechende Schneidkanten.

[0021] Ein Walzwerkzeug ist dabei als eine Patrize und das zweite Walzwerkzeug als eine Matrize ausgebildet. Die Präge- und Schnittkontur ist dabei bevorzugt sowohl in der Patrize als auch in der Matrize ausgebildet. Die Patrize weist hierzu auf der Walzoberfläche Erhebungen auf und die Matrize Einsenkungen. Die Patrize und die Matrize bilden dabei zwischen sich den Walzspalt aus.

[0022] Es kann vorgesehen sein, dass sämtliche Schnittkonturen als Schneidkanten in der Patrize ausgebildet sind. Alternativ kann vorgesehen sein, dass sämtliche Schnittkonturen als Schneidkanten in der Matrize ausgebildet sind.

[0023] Darüber hinaus kann die Schnittkontur auch eine (sichtbare) Struktur auf der Patrize oder Matrize umfassen, welche keine Kante im eigentlichen Sinne darstellt, z.B. eine Erhöhung auf der Patrize, welche mit einer Schneidkante auf einer Matrize zusammenwirkt oder umgekehrt.

[0024] Für den Fall, dass ein Abschnitt einer Schnittkurve in der Plattenebene des Werkstücks liegt, ist der entsprechende Abschnitt der Schnittkontur bevorzugt ausschließlich in der Patrize ausgebildet. Mit anderen Worten sind zur Herstellung von Schnittkurven auf Höhe der Plattenebene des Werkstücks die entsprechenden Schneidkanten bevorzugt in der Patrize ausgebildet. Damit ist sichergestellt, dass im Falle von Walzen mit integrierter Oberflächenstruktur nicht unnötig viel aufwändige Freistellungsarbeit erfolgen muss.

[0025] Für den Fall, dass ein Abschnitt einer Schnittkurve auf einer Maximalerhebung des Werkstücks liegt, ist der entsprechende Abschnitt der Schnittkontur bevorzugt ausschließlich in der Matrize ausgebildet. Mit anderen Worten sind zur Herstellung von Schnittkurven auf Höhe von Erhebungen des Werkstücks, insbesondere Maximalerhebungen des Werkstücks, die entsprechenden Schneidkanten bevorzugt in der Matrize ausgebildet. Im Falle von Walzen mit integrierter Oberflächenstruktur wird hierdurch aufwändige Freistellungsarbeit vermieden.

[0026] Für den Fall, dass die Schnittkurve in einem Übergangsbereich oder auf Höhe einer Zwischenerhebung verläuft, ist die Schnittkontur entweder auf der Matrize oder auf der Patrize oder besonders bevorzugt sowohl auf der Patrize als auch auf der Matrize ausgebildet.

[0027] Vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass im Falle von 3D-Schnittkurven die entsprechenden Schneidkanten sowohl auf der Patrize als auch auf der Matrize ausgebildet sind.

[0028] Vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass im Falle von 2D-Schnittkurven die entsprechenden Schneidkanten ausschließlich auf der Patrize oder auf der Matrize ausgebildet sind.

[0029] Je nach Ausführung der Werkzeuge kann die Präge- und Schnittkontur bzw. der Walzspalt durch ein Oberflächenprofil der Walzwerkzeuge gebildet sein, z.B. durch Fräsen, Schleifen, Abstrahlen, Laserabtragung, elektrochemisches Abtragen oder dergleichen erzeugt. Auf das Fachwissen darf verwiesen werden.

[0030] Alternativ dazu kann die Präge- und Schnittkontur bzw. der Walzspalt durch Funktionsflächen an den Walzwerkzeugen gebildet sein, z. B. durch Anbauteile, insbesondere angeschraubte, verkeilte und/oder angeschweißte Bauteile.

[0031] Die Walzwerkzeuge können jeweils monolithisch ausgebildet sein oder aus zwei oder mehreren Teilkörpern bestehen. Besonders bevorzugt sind zumindest eins der Walzwerkzeuge, bevorzugt beide Walzwerkzeuge monolithisch ausgebildet. Die Präge- und Schnittkontur ist dabei im Verständnis der vorliegenden Offenbarung durch das Oberflächenprofil der Walzwerkzeuge gebildet.

[0032] Von der Erfindung umfasst ist auch ein Walzwerkzeug, welches sich für die Verwendung in der oben beschriebenen Maschine eignet.

[0033] Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Hohlpräge- und Schneidwalzen ist vorgesehen, dass Werkstücke aus einem bandförmigen Ausgangsmaterial beim Durchgang durch einen Walzspalt an einem zwei Walzwerkzeuge umfassenden Walzenpaar mittels Messerschneidens oder Beißschneidens, bevorzugt Messerschneidens geschnitten, insbesondere 2D- und 3D-geschnitten, und zugleich geprägt werden. Das Messerschneiden ist insbesondere im Bereich der Plattenebene und im Bereich von Maximalerhebungen besonders vorteilhaft, da es insbesondere im Falle von Walzen mit integrierter Oberflächenstruktur den Freistellungsverschnitt an den Walzkörpern minimiert.

[0034] Das Verfahren wird bevorzugt von einer der zuvor beschriebenen Maschinen durchgeführt. Die Merkmale, welche in Bezug auf die Vorrichtung offenbart wurden, sind daher auch in Bezug auf das Verfahren als offenbart anzusehen und umgekehrt.

[0035] Dabei handelt es sich bevorzugt um ein Verfahren aus dem Bereich der Kalt-Blechumformung, bevorzugt um ein Längswalzverfahren.

[0036] Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verläuft bevorzugt zumindest ein Schnitt als eine 3D-Schnittkurve durch eine Prägung des Materials.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

[0037] Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren beschrieben. Es zeigen:

Figur 1

eine perspektivische Ansicht auf einen Ausschnitt eines Werkstücks als Ergebnis der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens,

Figur 2

eine perspektivische Ansicht auf einen weiteren Ausschnitt eines Werk- stücks als Ergebnis der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens,

Figur 3

einen Ausschnitt auf den Bereich B aus Figur 1,

Figur 4

einen Ausschnitt aus einem Schnitt durch einem Walzenpaar nach einer Ausführungsform der Erfindung,

Figur 5

einen Ausschnitt aus einem Walzenpaar nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Figur 6

einen Ausschnitt aus einer Walzoberfläche einer Matrize zur Herstellung des Bereichs C aus Figur 1,

Figur 7

einen Ausschnitt aus einer Walzoberfläche einer Patrize entsprechender Bereich D in Figur 6,

Figur 8

einen Ausschnitt aus einer Patrize zur Herstellung eines in Figur 1 dargestellten Bereichs und

Figur 9A bis 9C

verschiedene Ausführungsformen von Schneidmitteln.

AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG

[0038] Im Folgendem wird die Erfindung anhand der Figuren erläutert. Dabei sind eine Vielzahl von Ausführungsformen umfasst, welche nicht explizit beschrieben, sondern dem Fachmann aufgrund seines Fachwissens geläufig.

[0039] Figur 1 zeigt eine perspektivische Darstellung auf einen Ausschnitt aus einem Werkstück 10, welches mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugt werden kann. Das Werkstück 10 ist hier beispielsweise aber nicht einschränkend für die Erfindung als eine Bipolarplatte 12 ausgebildet mit einem Flussfeld 14, in dem Reaktionspartner einer Brennstoffzelle zusammengeführt werden, beispielsweise H₂ und O₂ zur Bildung von Wasser unter Freisetzung von Energie. Die Bipolarplatte 12 enthält daher eine Vielzahl von Materiekanälen 16, um die beteiligten Reaktionspartner, aber z.B. auch Kühlmittel durch die Bipolarplatte hindurchzuleiten. Die Materiekanäle 16 weisen in der dargestellten Ausführungsform der Bipolarplatte Materialeinlässe 18 auf, welche sich nicht in einem Randbereich des Werkstücks 10 befinden, sondern im Inneren des Werkstücks 10 im Bereich von innenliegenden Ausschnitten 28, die auch als Ports oder als Medienports 17 bezeichnet werden.

[0040] In Figur 2 ist ein weiterer Ausschnitt aus dem in Figur 1 dargestellten Werkstück 10 gezeigt, hier mit einem weiteren innenliegenden Ausschnitt 28, der aber nicht die Funktion eines Ports, sondern einer Ausrichtungs- oder Positionierhilfe 19 bei der Übereinanderstapelung vieler Bipolarplatten 12 bereitstellt.

[0041] Die Ausführungsform des Werkstücks 10 als Bipolarplatte 12 ist allerdings nicht einschränkend für die Erfindung. Diese kann bei einer Vielzahl von Werkstücken 10 unterschiedlicher Art eingesetzt werden. Die Werkstücke 10 können z.B. aus Papier, Metallen, Kunststoffen oder andersartigen Verbundstoffen bestehen.

[0042] Den erfindungsgemäß hergestellten Werkstücken 10 ist gemein, dass diese zunächst als Bandware vorliegen und dann im Rahmen eines Schneidprozesses in hoher Taktrate zu Werkstücken 10 vereinzelt werden.

[0043] Im bevorzugten Anwendungsfall ist das Werkstück 10 durch einen Randausschnitt 30, einen oder mehrere innenliegende Ausschnitte 28, ein oder mehrere 2D-Schnittkurven 32 sowie eine oder mehrere 3D-Schnittkurven 34 gekennzeichnet.

[0044] Wie in Fig. 2 und 3 dargestellt können im Falle der Ausführungsform als Bipolarplatte 12 insbesondere die Ausrichtungs- oder Positionierhilfen 19 von 2D-Schnittkurven 32 und die Medienports 17 von 3D-Schnittkurven 34 konturiert sein.

[0045] Die Zweidimensionalität der Richtung bezieht sich hierbei auf eine Plattenebene 20, die typischerweise mit der Fläche der ungewalzten Platte identifiziert werden kann. Die 2D-Schnittkurve 32 im Sinne der vorliegenden Erfindung verläuft in der Plattenebene 20. Die 3D-Schnittkurve 34 verläuft ebenfalls in der Plattenebene 20, jedoch zusätzlich hierzu auch senkrecht zu dieser.

[0046] In Figur 1 ist deutlich zu erkennen, dass bei dem Werkstück 10 Erhebungen 22 vorhanden sind, wobei in der vorliegenden Erfindung zwischen Maximalerhebungen 24 und Zwischenerhebungen 26 unterschieden wird. Die Maximalerhebung 24 entspricht dem weitesten Abstand von der Plattenebene 20, welche durch Prägung, Tiefziehen bzw. Kaltumformung und Fließen des Materials erzielt wurde. Die Zwischenerhebung 26 bezeichnet im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht den Übergangsbereich 25 zwischen der Plattenebene 20 und der Maximalerhebung 24, sondern eine flächige Ausdehnung des Werkstücks 10 zwischen der Maximalerhebung 24 und der Plattenebene 20 aus funktionalen Zwecken.

[0047] Die in Figur 3 dargestellte 3D-Schnittkurve 34 erstreckt sich im dargestellten Ausführungsbeispiel ausgehend von der Plattenebene 20 bis zur Zwischenerhebung 26. Zwischen der Zwischenerhebung 26 und der Maximalerhebung 24 ist ein Übergangsbereich 25 vorgesehen, welcher typischerweise abgerundet ist. Ebenso ist zwischen der Plattenebene 20 und der Zwischenerhebung 26 ein Übergangsbereich 25 vorhanden.

[0048] Derartige Geometrien im Werkstück mit Zwischenerhebung 26 und Maximalerhebung 24 sind oftmals im Rahmen des Flussfelddesigns von Bipolarplatten 12 notwendig, beispielsweise als Flanschbereiche für Zuführleitungen beim Materialeinlass 18 oder als funktionell verengte Strömungsabschnitte im Materialkanal 16 für düsenartige Verwirbelungen.

[0049] Bei anderen Anwendungsfällen muss die 3D-Schnittkurve 34 sich selbstverständlich nicht auf den Bereich zwischen der Plattenebene 20 und der Zwischenerhebung 26 beschränken, sondern kann ebenso im Bereich von der Plattenebene 20 zur Maximalerhebung 24 verlaufen o.Ä.

[0050] Die innenliegenden Ausschnitte 28 können eine beliebige Komplexität aufweisen und sich über eine oder mehrere Ebenen, insbesondere, über die Plattenebene 20, die Zwischenerhebungen 26 und/oder die Maximalerhebungen 24 erstrecken. Es können ein oder mehrere innenliegende Ausschnitte 28 vorhanden sein.

[0051] Nach dem Hohlpräge- und Schneidwalzverfahren der vorliegenden Erfindung ist das Werkstück 10 bevorzugt vereinzelt und somit im Allgemeinen umfänglich von dem Randausschnitt 30 umgeben, was aber nicht einschränkend für die Erfindung ist.

[0052] Das Werkstück 10, welches in Figur 1 - 3 dargestellt ist, wird mithilfe eines kombinierten Hohlpräge- und Schneidwalzverfahrens hergestellt. In Figur 4 ist ein Schnitt durch ein Walzenpaar mit einer Patrize 40 und einer Matrize 50 dargestellt. Der in Figur 4 dargestellte Ausschnitt aus dem Walzenpaar ist dazu geeignet, um den in Figur 1 dargestellten Schnitt A - A zu walzen.

[0053] Die Patrize 40 weist eine dreidimensional ausgestaltete Walzoberfläche 42 auf. Im dargestellten Bereich umfasst die Walzoberfläche 42 eine Schneidkante 48, um den innenliegenden Ausschnitt 28 aus in Figur 1 auszuschneiden. Bei radialer Zustellung der Patrize 40 zu der Matrize 50 trifft die Schneidkante 48 auf die gegenüberliegende Walzoberfläche 52 der Matrize 50, welche an dieser Stelle keine Gegenerhebung aufweist.

[0054] Der Walzspalt 36 ist auf die zu erzeugende Dicke des Werkstücks 10 abgestimmt, auf Höhe der Schneidkante 48 ist er allerdings auf den Schneidspalt reduziert, vorzugsweise auf Null.

[0055] Die Walzoberfläche 42 der Patrize 40 umfasst darüber hinaus Erhebungen 46, welche sich radial weiter weg von der Hauptachse der Walzrolle erstrecken als ein Freistellungsboden 44, der beim Werkstück 10 die Lage der Plattenebene 20 definiert.

[0056] Räumlich gegenüber der Erhebung 46 auf der Patrize 40 ist in der Matrize 50 eine entsprechende Einsenkung 56 in der Walzoberfläche 52 vorhanden. Die Erhebung 46 und die Einsenkung 56 wirken derart zusammen, dass ein durchlaufender Werkstoffbogen in diesem Bereich eine Hohlprägung erfährt, siehe Linie A - A in Fig. 1.

[0057] Figur 5 zeigt eine Situation, bei der die Patrize 40 und die Matrize 50 dazu ausgebildet sind, um das Werkstück 10 auf Höhe einer Erhebung 22 zu schneiden. Die Matrize 50 weist hierzu auf ihrer Walzoberfläche 52 im Bereich der Einsenkung 56 eine Schneidkante 58 auf. Die Patrize 40 weist an der korrespondierenden Stelle die entsprechende Erhebung 46 aber keine eigene Schneidkante auf. Bei der im Werkstück 10 zu erzeugenden Erhebung 22 handelt es sich bei der in Figur 5 dargestellten Ausführungsform bevorzugt um eine Maximalerhebung 24.

[0058] Mit den dargestellten Ausführungsvarianten ist sichergestellt, dass nicht unnötig viel aufwändige Freistellungsarbeit erfolgen muss. Die Freistellungsarbeit kann z.B. Fräsarbeit sein, aber auch durch Laserabtragung, Erodieren oder elektrochemisches Abtragen erfolgen. Bei der in Figur 4 und Figur 5 dargestellten Variante ist die Schneidkante 48 der Patrize 40 bzw. die Schneidkante 58 der Matrize 50 jeweils auf dem Freistellungsboden 44 der Patrize bzw. 54 der Matrize ausgebildet. Mit Freistellungsboden wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung die minimale Walzrollendicke bezeichnet, also wird die tiefste Freistellung in der Walzrolle. Würde nämlich beispielsweise die Patrize 40 im Bereich ihrer Erhebung 46 noch eine Schneidkante 48 aufweisen, so würde der Vorfreistellungsdurchmesser der Patrize 40 durch die Spitze der Schneidkante 48 definiert. Der Begriff Vorfreistellungsdurchmesser bezeichnet dabei die Gestalt der Matrize 50 und Patrize 40 vor der Freistellungsarbeit. In den Bereichen der Maximalerhebungen 24 des Werkstücks 10 ist daher die Schneidkante 58 bevorzugt an der Matrize 50 vorgesehen. Umgekehrt würde für den Fall, dass die Matrize 50 auf Höhe der Plattenebene 20 eine Schneidkante 58 aufweisen würde, der Vorfreistellungsdurchmesser der Matrize 50 durch die Spitze der Schneidkante 58 der Matrize dort vorgegeben sein. Die Matrize 50 müsste also großflächig außerhalb dieser Schneidkante freigestellt werden, was einen zusätzlichen Aufwand benötigt.

[0059] Figur 6 zeigt die Wälzoberfläche 52 der Matrize 50 im Bereich C in Figur 1. Hier soll das Werkstück 10 in einem 3D-Schnitt sowohl auf Höhe der Plattenebene 20 als auch durch eine der Erhebungen 22 geschnitten werden. Bei der Erhebung im Bereich C (siehe Fig. 1) handelt es sich beispielsweise um eine maximale Erhebung 24.

[0060] Figur 6 zeigt die Matrize 50 von ihrer Unterseite. Mit 56 sind jeweils Einsenkungen in der Matrize dargestellt, welche die Erhebungen 22 im Werkstück ausprägen. Die Schneidkante 58 in der Matrize 50 verläuft ausschließlich im Bereich der Einsenkung 56. Wie mit Bezug zu Figur 4 und Figur 5 schon im Prinzip erläutert, ist lediglich im Bereich der Einsenkung 56 die Schneidkante 58 der Matrize 50 vorgesehen. Die Einsenkung 56 erstreckt sich aber auch über die Schneidkante 58 der Matrize und bildet hier einen Prägeverschnitt 64. Der Prägeverschnitt 64 hat den Zweck, innere Materialspannungen abzubauen und eine Faltenbildung im Werkstück 10 zu verhindern.

[0061] Im mit Bezugszeichen 60 gekennzeichneten Übergangsbereich der Einsenkung 56 zum Vorfreistellungsdurchmesser geht die Schneidkante 58 in die Patrize 40 über, was auch mit Bezug zur Figur 7 dargestellt ist.

[0062] Figur 7 zeigt die Patrize 40 in dem mit D bezeichneten Bereich in Figur 6, welche mit der in Figur 6 dargestellten Matrize 50 zusammenwirkt, den innenliegenden Ausschnitt 28 aus dem Werkstück 10 im Bereich C in Figur 1 auszuschneiden.

[0063] Die Patrize 40 weist hier die entsprechende Erhebung 46 auf, welche mit der Einsenkung 56 der Matrize 50 korrespondiert, und eine entsprechende Schneidkante 48, welche in Kombination mit der Schneidkante 58 der Matrize 50 die 3D-Schnittkurve 32 erzeugt.

[0064] Ebenso wie bei der Matrize 50 ist auch hier im ausgeschnittenen Bereich die Erhebung 46 weitergeführt und bildet hier einen entsprechenden Prägeverschnitt 64, wie bereits mit Bezug zu Figur 6 erläutert.

[0065] Figur 8 zeigt die Patrize 40 im Bereich des in Figur 1 rechts dargestellten innenliegenden Ausschnitts 28. Die 3D-Schnittkurve 34 (siehe Fig. 3) verläuft über die Plattenebene 20 und die Zwischenerhebung 26.

[0066] Die Schneidkante 48 auf der Patrize 40 bildet an dieser Stelle eine geschlossene Kurve. Wie mit Bezug zu Figuren 4 und 5 erläutert, ist der Abschnitt der Schneidkante 48 im Bereich der Plattenebene 20 technisch vorteilhaft, um die Freistellungsarbeiten, z.B. Fräsarbeiten zu minimieren. Weiterhin weist die Patrize 40 hier Erhebungen 46 auf, und zwar Maximalerhebungen 46b und Zwischenerhebungen 46a.

[0067] Im Übergangsbereich 62 kann das Schneiden auf unterschiedliche Art und Weise realisiert sein. So ist in diesem Bereich die Schneidkante 48 sowohl an der Patrize 40 als auch an der Matrize 50 ausbildbar. Die dargestellte Ausführungsform der geschlossenen Schneidkurve 48 auf der Patrize 40 zur Ausbildung der 3D-Schnittkurve 34 ist daher nur eine von mehreren Möglichkeiten.

[0068] Figuren 9A bis 9C zeigen verschiedene Ausführungsformen von Schneidprozessen an Werkstücken 10.

[0069] In Figur 9A ist das Scherschneiden dargestellt, bei welchem zwei Scherkanten 70 parallel versetzt und ohne Querspalt aufeinander zubewegt werden, um das Werkstück 10 zu zerscheren. Diese Art des Schneidens ist in den Übergangsbereichen 60 bzw. auch in den Bereichen von Schnittkurven auf Zwischenerhebungen 26 besonders vorteilhaft umsetzbar. Nimmt man die erhöhten Freistellungskosten in Kauf, kann das Scherschneiden in Figur 9A aber an jeder Stelle implementiert werden, indem die entsprechenden Schneidkanten 48 bzw. 58 auf der Patrize 40 bzw. Matrize 50 entsprechend zueinander ausgerichtet und ausgestaltet werden.

[0070] Der Vorteil des Scherschneiden ist, dass Materialaufwerfungen 76 (siehe Fig. 9B und 9C) aufgrund der schrägen Scherkanten 70 jeweils in eine Richtung abgelenkt werden.

[0071] Mit Bezug zu den Figuren 4 bis 8 wurde das in Figur 9B dargestellte Messerschneiden bereits beschrieben. Hier trifft eine Messerkante 72 auf eine im Wesentlichen flache Auflage 74, um das Werkstück 10 zu schneiden. Das Messerschneiden ist insbesondere im Bereich der Plattenebene 20 und im Bereich der Maximalerhebungen 24 besonders vorteilhaft, da es wie bereits erläutert den Freistellungsverschnitt an den Walzkörpern minimiert. Nachteilig sind die Materialaufwerfungen 76, die durch die Verdrängung des Materials an der Messerkante 72 hervorgerufen werden, jedoch arbeitet dieses Verfahren vollständig gratfrei. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung kann anstelle des Begriffs "Messerschneiden" auch der Begriff "Keilschneiden" verwendet werden, da unter der Messerkante 72 ein keilförmiges Schneidwerkzeug zu verstehen ist.

[0072] Figur 9C zeigt schließlich das Beißschneiden, bei dem zwei Messerkanten 72 aufeinander zubewegt werden und zwischen sich das Werkstück 10 zerschneiden. Auch hier kommt es zu Materialaufwerfungen an allen Seiten, die in der Ausprägung geringer sind als beim Messerschneiden. Auch dieses Verfahren arbeitet frei von Grat. Aufgrund der heute erreichbaren Präzision bei der Zustellung der beiden Walzwerkzeuge ist Beißschneiden erfolgreich durchführbar.

[0073] Im Fall von Bipolarplatten, wo zwei Werkstücke 10 aneinandergesetzt werden, um zwischen sich ein Flussfeld 14 zu definieren, wird die Materialaufwerfung 76 jeweils in die Richtung der Innenseite angeordnet, um auf der Außenseite ein sauberes Schneidergebnis zu erzeugen.

Ansprüche

1. Walzmaschine zum Hohlpräge- und Schneidwalzen, mit zumindest einem zwei Walzwerkzeuge umfassenden Walzenpaar, welches zwischen sich einen Walzspalt (36) definiert, wobei ein Walzwerkzeug als eine Patrize (40) ausgebildet ist und ein weiteres Walzwerkzeug als eine Matrize (50) ausgebildet ist, wobei die Patrize (40) und die Matrize (50) zwischen sich den Walzspalt (36) definieren und zumindest eines der Walzwerkzeuge eine Präge- und Schnittkontur aufweist, um ein Prägen und Schneiden von Werkstücken (10) aus einem bandförmigen Ausgangsmaterial beim Durchgang durch den Walzspalt (36) zu ermöglichen, und wobei der Walzspalt (36) eine Plattenebene (20) der Werkstücke (10) definiert,
dadurch gekennzeichnet, dass die Präge- und Schnittkontur ausgebildet ist, um in den Werkstücken (10) Erhebungen (22) gegenüber der Plattenebene (20) zu erzeugen, und um zumindest einen 3D-Schnitt zu erzeugen, der sich über zumindest eine Erhebung (22) erstreckt.

2. Walzmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (22) bezüglich der Plattenebene (20) im Wesentlichen oder vollständig in einer Richtung ausgebildet sind.

3. Walzmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Präge- und Schnittkontur auf beiden Walzwerkzeugen ausgebildet ist.

4. Walzmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung von Schnittkurven (32, 34) auf Höhe der Plattenebene (20) des Werkstücks (10) die entsprechenden Schneidkanten (48) bevorzugt ausschließlich in der Patrize (40) ausgebildet sind.

5. Walzmaschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung von Schnittkurven (32, 34) auf Höhe einer Erhebung (22) des Werkstücks (10), insbesondere Maximalerhebung (24) des Werkstücks (10), die entsprechenden Schneidkanten (58) bevorzugt ausschließlich in der Matrize (50) ausgebildet sind.

6. Walzmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung von Schnittkurven (32, 34) in Übergangsbereichen (25) oder auf Höhe von Zwischenerhebungen (26) des Werkstücks (10), die entsprechenden Schneidkanten (48, 58) sowohl auf der Patrize (40) als auch auf der Matrize (50) ausgebildet sind.

7. Walzmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle von 3D-Schnittkurven (34) die entsprechenden Schneidkanten (48, 58) sowohl auf der Patrize (40) als auch auf der Matrize (50) ausgebildet sind.

8. Walzmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle von 2D-Schnittkurven (32) die entsprechenden Schneidkanten (48, 58) ausschließlich auf der Patrize (40) oder auf der Matrize (50) ausgebildet sind.

9. Walzmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Walzspalt (36) durch ein Oberflächenprofil auf Walzoberflächen (42, 52) der Walzwerkzeuge oder durch Funktionsflächen an den Walzwerkzeugen gebildet ist.

10. Walzmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines, bevorzugt beide Walzwerkzeuge monolithisch ausgebildet sind.

11. Walzmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Walzwerkzeuge ausgebildet sind, um ein Scherschneiden, Messerschneiden und/oder ein Beißschneiden auszuführen.

12. Walzwerkzeug, ausgebildet zur Verwendung in einer Walzmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche.

13. Verfahren zum Hohlpräge- und Schneidwalzen, wobei Werkstücke aus einem bandförmigen Ausgangsmaterial beim Durchgang durch einen Walzspalt (36) an einem zwei Walzwerkzeuge umfassenden Walzenpaar mittels Messerschneidens oder Beißschneidens, bevorzugt Messerschneidens zugleich geschnitten und geprägt werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Schnitt als eine 3D-Schnittkurve (34) durch eine Prägung verläuft.

Zeichnung