Funktionsintegriertes Handhabungssystem zur geometrieflexiblen, positionsgenauen Einzellagenstapelung in der Brennstoffzellenstackfertigung

Bei der vorliegenden Arbeit handelt es sich um eine empirische Untersuchung
erzielbarer Genauigkeiten in der Brennstoffzellenstackfertigung sowie der Qualifikation
eines neuartigen Systems zur funktionsorientierten Ausrichtung der Bipolarplatte.
Aus einer umfangreichen Recherche des Stands der Technik werden funktionsrelevante Toleranzen und deren Auswirkung für das Produkt Brennstoffzelle
identifiziert. Neben dem Stapelprozess werden dabei auch vorgelagerte Prozessschritte berücksichtigt. Weiterhin wird beleuchtet, welche Randbedingungen das
Produkt dabei stellt.
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Aufbauend darauf wird der Greifvorgang näher untersucht. Ein Flächengreifer wird
hierzu charakterisiert und anschließend qualifiziert. Ein Versuchsaufbau, der dazu in
der Lage ist, Positionsabweichungen während des Greif- und Ablagevorgangs zu
quantifizieren, wird vorgestellt. Mit diesem Versuchsaufbau wird anschließend die
Handhabung der Bauteile Catalyst Coated Membrane (CCM), Gasdiffusionslage
(GDL), Membrane-Electrode-Assembly (MEA) und Bipolarplatte untersucht. Einzelne
Parameter, beispielsweise Abstände während des Greifens und Ablegens, werden
dabei variiert. Es wird eine Empfehlung zu einer möglichst positionsgetreuen Ablage
der Bauteile abgeleitet.
Für die Bipolarplatte wird ein Greifer entwickelt, der dazu in der Lage ist, die Position
des Bauteils während des Greifens zu bestimmen. Hierfür sind zwei Kameras in das
Greifsystem integriert. Anhand des erzeugten Bildes wird anschließend eine
Verarbeitung durchgeführt, um Positionsverschiebungen detektieren zu können. Dabei
wird ein Ansatz erarbeitet, der auf einer Phase Cross Correlation und damit einer
Auswertung im Frequenzbereich beruht. Durch Anpassungen wird der Auswertealgorithmus weiter optimiert und anhand von Referenzmessungen qualifiziert.
Anschließend wird der Greifer an einem Industrieroboter montiert. Dabei wird bei einer
unzureichenden Bereitstellungsgenauigkeit mit einer Standardabweichung von
σ = 0,25 mm in beide Ebenenrichtungen eine Positionierung mit einer Standardabweichung von σ < 12 µm erzielt. Zuletzt werden die quantifizierten Toleranzen
bewertet, um daraus Priorisierungen für präzise Montagevorgänge ableiten zu können.

This work consists of an empirical study on achievable accuracies in fuel cell stack
manufacturing and the qualification of a novel gripper system with integrated position
measurement for a function-oriented alignment of bipolar plates.
Based on an extensive study on the current state of the art tolerances in fuel cell
stacking, which show an influence on fuel cell performance, are identified. Further
constraints such as prior production processes to fuel cell stacking are considered
within the evaluation.
Based on that the gripping of individual components is further investigated. ... mehrA large-area
vacuum gripper is built and characterized. An experimental setup is presented, which
makes the measurement of position deviations after grasping and releasing possible.
With this setup catalyst coated membranes (CCM), gas diffusion layers (GDL),
membrane-electrode-assemblies (MEA) and bipolar plates are further investigated.
Parameters such as the distance when grasping and releasing the component are
varied. Recommendations for accurate grasping of components are derived from the
experimental results.
A novel gripper is developed for the bipolar plate, which allows for a position
measurement whilst grasping. Two cameras are integrated into the gripper. An
approach is developed, that is based on phase cross correlation of images, therefore
conducting the calculation in the frequency domain. With adaptations being made the
algorithm is optimized and qualified by a reference measurement system.
The gripper is then mounted onto an industrial robot. With insufficient position accuracy
of the components prior to grasping (standard deviation of σ = 0,25 mm in both
directions in-plane) a positioning with a standard deviation of σ < 12 µm is achieved.
The quantified tolerances for the complete system are finally being evaluated to
conclude prioritization for precise component handling during assembly.