1、5. 石墨雙極板流道加工製作5.1 石墨材料特性5.2 流道設計軟體介紹及操作5.3 加工設備介紹及操作5.4 流道加工製作5.1 石墨材料特性n石墨有導電性容易的特點，故在放電加工的領域有著相當可看的發展空間，另外，石墨的重量比銅輕四倍，而切削速度可比銅快56倍，在傳統的加工方法的操作下，也能得到相當滿意的結果，本實驗是利用傳統CNC銑床將石墨進行加工，製成石墨雙極板。石墨的物理特性可參考Table-1。Table-1 石墨物理特性5.1 石墨材料特性n石墨為礦物質的一種，有非導磁與延展性及硬度低的特性，所以在夾治具的設計方面必須面面俱到，一般傳統式虎鉗無法利用兩端施壓的方式固定石墨板材，因
2、此設計一夾治具，目的是穩固的固定工件並且不讓工件受到壓力而變形。n石墨雙極板素材是利用石墨粉末與導電塑膠以特定比例混合，以熱壓方式製出，故在進行傳統加工時，粉塵管理也是相當重要的工作。n石墨脆性極高，受到高衝擊時會有碎裂的情形發生，而傳統加工的方式，需要針對石墨的此項特性調整加工量以及加工速率，如此完成的石墨雙極板，切斷面平滑而不會有邊角崩裂的瑕疵。5.1 石墨材料特性n石墨板材主要是由粉末冶金方法製出，所以在微結構上有許多肉眼看不出的氣孔存在，此氣孔會造成燃料互相穿透（CROSSOVER）情形，除此之外，在加工考量上，因為氣孔會讓切屑液體堵塞其中，可能使石墨雙極板阻抗增加，所以在加工過程中，
3、切屑清除方式也要盡可能的避免以液體清除的方法。n石墨雙極板的硬度比金屬低，在加工及組合的過程中，應避免尖銳的物品在石墨雙極板上刻劃或撞擊，石墨雙極板的平面精度越高，氣密效果將會越好。n石墨的耐腐蝕性相較於金屬有更佳的抗腐蝕程度，在Nafion溶液的強酸腐蝕下，石墨的抗腐蝕性是絕大部分金屬所無可比擬的，所以利用石墨的耐腐蝕性來代替以鉑所做的雙極板，可大大的降低製造成本。石墨材料特性整理1.導電度高2.耐腐蝕性3.延展性、硬度低4.脆性物質5.有氣孔材料6.非導磁性材料5.2 流道設計軟體介紹及操作n雙極板設計軟體主要可由三大工具軟體搭配使用，依據製作流程的順序劃分，使用軟體微電腦輔助繪圖軟體(C
4、AD)、電腦輔助製造軟體(CAM)、電腦輔助分析軟體(CAE)三項。此實驗使用的工具軟體主要為：1.AUTOCAD20002.MASTERCAM4.0、SURFACECAM20003.ANSYS5.65.2 流道設計軟體介紹及操作n電腦輔助繪圖軟體-AUTOCAD2000n利用此軟體將設定好的流道圖形以工具軟體繪出，並且製成電子檔，因為PEMFC流道的形狀通常都是以複雜的蛇行形狀來設計，若是以傳統的徒手機械繪圖會使密集的流道形狀失其精準與增加製圖的成本，同時，也增加了修改時的不便。n當建構好電子圖檔後，可利用轉換檔案格式的方法，將同一圖形精確的使用在CAM與CAE軟體上，最後達成製出石墨雙極板
5、的成品。5.2 流道設計軟體介紹及操作n操作方法1.利用建構線功能將尺寸繪出，當尺寸規範形成後，利用修剪功能將多餘線條去除。2.在尺寸上將需要孔位繪出，或者定一基準孔位再利用複製功能一一複製貼上即可。3.最後將流道以直線及倒圓角繪圖等功能繪出，即可得到石墨雙極板流道的2D平面圖，加上尺寸標註，此圖即是標準的工程圖。4.若需要立體視圖則用擠出功能將2D圖設定一厚度，在視需要規定凹槽深度即可。5.當轉檔時，可將電子檔另存成.DXF檔案格式，或是用其他軟體讀取.DWG檔案。5.2 流道設計軟體介紹及操作n本實驗在CAM軟體的選擇上是利用MASTERCAM，CAM主要是將設計圖面轉換成機械或刀具的加工
6、路徑碼，再利用數控工具機製作出所需的零組件，而MASTERCAM最主要的功能在於考慮加工刀具的種類大小進而計算出精確的刀具路徑以利生產。以目前雙極板設計的部分，我們可以用MASTERCAM做簡單的2D加工 。1.在這一步驟中，需用MASTERCAM轉檔功能，將雙極板的設計圖檔轉檔成專用的格式。2.之後需要把雙極板部分外的圖素刪除，保留需要加工的部分。3.規定機械原點 。4.將加工參數詳細規定，進行刀具路徑模擬。 5.將所有刀具路徑轉譯成NC code，並做人工的最後確認。5.2 流道設計軟體介紹及操作n轉檔 n加工模擬n刀具路徑模擬n機碼產生5.2 流道設計軟體介紹及操作n電腦輔助分析系統在這
7、實驗的工作主要是針對流道設計作設計上的參考，例如流道寬度與深度對於電池組整體的內部的強度與壓力分布是否恰當，或者分析氣體燃料在流道中的流動狀況，針對可能發生窒礙的部分進行修改。利用此軟體可以避免大部分的實體測試以及代替量測方式較困難實驗，提供依可靠的參考值。n目前實驗使用的部分有：n壓力分布情形n氣密狀況分析5.3 加工設備介紹及操作n加工設備主要是將石墨素才由基本的尺寸精修為可供加工的石墨板才，最後再用數控加工機進行較繁複的流道加工程序，大體上，加工設備分為消耗性設備與機具類設備：n消耗性設備：諸如刀具、鋸片、磨輪等等。n機具類設備：如夾治具、帶鋸機、磨床、CNC數控加工機等等。5.3 加工
8、設備介紹及操作n消耗性設備n刀具：實驗用的刀具主要有鑽頭、端銑刀、面銑刀等，其中端銑刀為直徑1mm以下的刀具，再高速切削下，刀具磨耗的快速相當可觀，故切削量(效率)與刀具成本必須取得一平衡點。n鋸片、磨輪：鋸片為粗切削的一項機具，可以快速的將素材切割成片狀，其優秀的切削能力不但可以迅速切割並且可以長時間保持刀刃的銳利度；磨輪可將板材切斷面的粗糙度降低，其粗糙度最低可達0.38微米，此數值對於氣密度以有相當的保障。5.3 加工設備介紹及操作n機具類設備n夾治具：石墨雙極板必須有一專用夾治具，針對石墨非導磁、高脆性、硬度低及延展性不高等等特性，設計一專用夾治具，以非兩端施壓及非磁力式挾持，改以擋板
9、定位，壓塊固定方式，保持石墨加工時不因刀具切削時受力而移動，同時，石墨的優良導電性可讓加工機具便利的尋找加工機械原點，同時提昇精確度。5.3 加工設備介紹及操作n機具類設備n帶鋸機：負責將石墨粗胚進行切片的動作，以利進行精加工作業，精度不高。n優點：加工時程快(一片不需20秒即可切出)。n缺點：粉塵極多，加工面極為粗糙，需以磨床做平面的精加工，而且厚度無法調整的精確。 5.3 加工設備介紹及操作n機具類設備n磨床：帶鋸機切片所得的石墨薄片，加工面相當的不光滑，所以需要降低其表面粗糙度，此研究專題是利用磨床做表面精加工，磨床的精度可達0.5條0.005mm，加工過的表面粗糙度可以到達0.5m。
10、n優點：可將粗糙度提昇至0.5m，操作容易，且有吸塵設備及切削液設備可供選擇。n缺點：加工時程長且單調，挾持方式要注意。5.3 加工設備介紹及操作n機具類設備nCNC數值控制加工機：最後將石墨板材進行孔槽加工的機具，此機具需要配合石墨薄板專用夾治具，如此方可進行鑽孔、銑槽等動作，加工時要注意粉塵管理，以免導電的石墨粉塵飛入機具電路板中造成短路燒毀。n優點：精度高，自動化加工，加工時程短。n缺點：不適合量產製程專用。5.4 流道加工製作n操作方法n帶鋸機1.調整檔塊，規定切材尺寸。2.開啟電源。3.輸送石墨素材，切出薄板。4.重複上一步驟。5.數量達成，關閉電源。n磨床1.將板材至於磁力盤上，並用磁性薄片固定四周。2.開啟吸塵設備。3.調整自動往返加工行程。4.調整高度，啟動電源。5.啟動自動往返功能並隨時調整高度。6.單面粗糙度精修完成，停機並將工件翻面。7.重複上述步驟，直至雙面皆精修完成。8.停機。5.4 流道加工製作n操作方法nCNC數控加工機1.開機並等待2至3分鐘熱機。2.將夾治具固定在平台上。3.石墨板材至於夾治具上。4.利用尋邊器尋找工件原點並輸入工件原點與控制程式至CNC。5.換刀並確認刀具。6.執行鑽孔程式。7.換銑刀。8.執行銑槽程式。9.完成，停機。5.4 流道加工製作n加工過程孔槽加工過程 雙極板完成品
