Mecanizado de placas bipolares de titanio: planitud y precisión de los canales logradas

El proceso de varios pasos de Sendot Technology garantiza un control dimensional y una limpieza excepcionales en el mecanizado de los canales de flujo en placas bipolares de titanio.

Resumen del proyecto

	Información
Sector	Energía del hidrógeno
Producto	Placas bipolares de titanio
Tecnología	Mecanizado CNC
Material	Titanio Grade 2
Retos	Alto requisito de planitud (0,01 mm), precisión compleja de microcanales
Cantidad	5 piezas
Plazo de entrega	14 días

Introducción al producto

A medida que la energía del hidrógeno desempeña un papel más importante en la transición hacia la energía limpia, muchas empresas líderes están aumentando su inversión en su desarrollo. Hay una empresa que ha dedicado casi una década a trabajar en toda la cadena de valor del hidrógeno y a participar en proyectos clave de investigación sobre hidrógeno verde.

Durante el desarrollo de un nuevo electrolizador de membrana de intercambio de protones, su equipo de I+D buscaba placas bipolares de alta precisión. Estos componentes, fabricados de acero inoxidable o aleaciones de titanio, incluyen canales de flujo complejos y exigen una estricta planitud y calidad superficial.

Con nuestras capacidades de mecanizado de precisión de 5 ejes y nuestra sólida experiencia en el procesamiento de aleaciones de titanio, Sendot Technology ofrece soluciones personalizadas que combinan funcionalidad, fiabilidad y estabilidad de producción.

Análisis de la estructura de la pieza

La placa bipolar es una placa fina uniforme fabricada de titanio, con un tamaño de 170 mm*130 mm*2 mm. Los canales están distribuidos uniformemente en un lado, con un ancho inferior a 1 mm, lo que requiere una precisión de +-0,05 mm. Además, la planitud requerida es de +-0,01 mm, lo que aumenta la dificultad del mecanizado.

Soluciones de mecanizado para placas bipolares de alta precisión

Fabricar placas bipolares con precisión a microescala y rendimiento estable plantea retos únicos, especialmente al trabajar con componentes de titanio de pared delgada y canales de flujo estrechos.

Requisitos de diseño y puntos de mecanizado para canales de flujo de precisión

El canal de flujo es una estructura importante. Su función principal es distribuir de forma uniforme y precisa el hidrógeno, el oxígeno y el electrolito, para garantizar que la reacción de electrólisis se produzca de manera uniforme en la superficie del electrodo de membrana. Por lo tanto, para obtener canales de flujo conformes, muchos detalles merecen atención durante el proceso de producción.

En la imagen inferior se puede ver que los canales de flujo tienen 0,81 mm de ancho y 0,51 mm de profundidad. Y las placas bipolares a menudo se apilan en múltiplos para distribuir el medio de forma uniforme, por lo que los requisitos de precisión son muy importantes, de hasta ±0,005 mm.

Para lograr esta precisión, normalmente adoptamos una estrategia de mecanizado de varios pasos:

• Mecanizado de desbaste: eliminar la mayor parte del material sobrante, dejando una sobremedida uniforme para el acabado.
• Semiacabado y acabado: utilizar una herramienta de pequeño diámetro con un avance bajo para fresar cuidadosamente la estructura detallada.
• Selección del material de la herramienta: debido al pequeño diámetro de la herramienta, el riesgo de rotura es alto y afecta a la precisión dimensional. Utilizamos herramientas de grado K10 con un alto contenido de cobalto, que ofrecen una excelente dureza y resistencia a los impactos, garantizando un rendimiento estable durante todo el proceso.

Limpieza superficial y control de rebabas en el mecanizado de los canales

En estas placas bipolares, un líquido puro fluirá durante todo el proceso de electrólisis, por lo que no debe haber impurezas. Las marcas de herramienta evidentes también causarán una distribución de presión desigual después de unir el producto, afectando a la función de la placa bipolar.

Para evitar estos problemas, los canales deben permanecer limpios, y la rugosidad superficial debe mantenerse dentro de Ra0,8. Nuestras máquinas de cinco ejes, capaces de alcanzar velocidades de hasta 32.000 rpm, pueden lograr una rugosidad tan baja como Ra0,2 sin ningún posprocesamiento. Sin embargo, para equilibrar el coste y la eficiencia del mecanizado, normalmente utilizamos una máquina de tres ejes en producción. Al establecer altas velocidades de husillo y bajos avances durante la fase de acabado, aún podemos lograr el acabado superficial Ra0,8 requerido.

Además, la aleación de titanio tiene tendencia a adherirse a la herramienta de corte, causando a menudo rebabas. Para minimizar esto, seleccionamos herramientas con recubrimiento TiAlN, que reduce la adhesión y mejora la calidad superficial. Tras el mecanizado, utilizamos un cepillo de cerdas duras para eliminar las rebabas residuales, inspeccionamos la superficie con aumento en ángulo oblicuo y finalizamos con aire comprimido para garantizar que todos los residuos queden eliminados.

¿Cómo cumplir los altos requisitos de planitud?

Las placas bipolares se utilizan en múltiples apilamientos. Si la planitud está fuera de tolerancia y la presión local es insuficiente, puede producirse una fuga de gas. Debido a estos requisitos funcionales, la precisión de planitud de la placa bipolar es de 0,01 mm.

Como es una placa fina, las placas bipolares son propensas a la deformación. Y todos los canales están distribuidos en un lado, por lo que la deformación es difícil de controlar mediante el procesamiento por volteo. Basándonos en nuestra experiencia, utilizaremos una rectificadora para mecanizar la placa. En comparación con el CNC, una rectificadora genera menos calor, menos deformación y puede lograr una mejor planitud y acabado.

Estrategia de control de la planitud en el mecanizado de placas finas

Primero, rectificaremos la superficie roja para lograr directamente la planitud de 0,01, y no se realizará ningún procesamiento adicional en esta superficie. Después, la superficie roja se utilizará como referencia para fresar otras estructuras en el lado opuesto. Finalmente, amarraremos el lado inverso como base, y los canales se fresarán en este amarre.

Dada la estructura fina, una deformación menor es inevitable sin la intervención de una fuerza externa. Para abordar esto, propusimos aplicar una fuerza externa durante la inspección de planitud para simular las condiciones reales de montaje. Dado que la placa bipolar se instalará bajo presión durante su uso, el cliente revisó y aceptó este método de inspección como razonable y alineado con los escenarios de aplicación práctica.

Opinión del cliente

Tras recibir las piezas, el cliente compartió los siguientes comentarios:
«Las placas bipolares han superado la inspección y cumplen todos los requisitos. La planitud de 0,01 mm y la precisión de los canales de flujo superan con creces nuestras expectativas. Las piezas se han instalado con éxito y el sistema de electrólisis funciona sin problemas. Esperamos hacer más pedidos con ustedes».

Con un mecanizado CNC avanzado, un control estricto de las tolerancias y una profunda experiencia en geometrías complejas, Sendot Technology entrega componentes de alta precisión que cumplen los estándares de calidad más estrictos. Desde el prototipado hasta la producción de bajo volumen, ofrecemos soluciones de mecanizado fiables para aplicaciones críticas en los sectores de energía, automoción, medicina e industria.