امکان‌سنجی شکل‌دهی میکروکانال‌های U شکل توسط فرایند شکل‌دهی با قالب انعطاف‌پذیر

طالبی قادیکلایی, حسین; الیاسی, مجید; دادگر اصل, یعقوب; زین‌العابدین بیگی, علی; داوودی, محمدمهدی

doi:10.48301/kssa.2022.336972.2063

امکان‌سنجی شکل‌دهی میکروکانال‌های U شکل توسط فرایند شکل‌دهی با قالب انعطاف‌پذیر

نوع مقاله : مقاله پژوهشی (کاربردی)

نویسندگان

حسین طالبی قادیکلایی ¹

مجید الیاسی ²

یعقوب دادگر اصل ³

علی زین‌العابدین بیگی ⁴

محمدمهدی داوودی ⁵

¹ استادیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه کاشان، کاشان، ایران.

² دانشیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل، بابل، ایران.

³ استادیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه فنی و حرفه‌ای، تهران، ایران.

⁴ دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران.

⁵ استاد، دانشکده مهندسی، دانشگاه چئونگ جو، چئونگ جو، کره جنوبی.

10.48301/kssa.2022.336972.2063

چکیده

از صفحات دوقطبی فلزی به‌عنوان یکی از بخش‌های اصلی تشکیل‌دهنده پیل سوختی می‌توان یاد کرد. روش‌های مختلفی نظیر فرایندهای شکل‌دهی هیدروفرمینگ، الکترومغناطیسی، استمپینگ و شکل‌دهی لاستیکی برای تولید این صفحات به کار می‌رود. در این مطالعه، اثر لایه لاستیکی در تولید صفحات دوقطبی فلزی به روش شکل‌دهی لاستیکی بررسی شده است. برای شکل‌دهی صفحات دوقطبی از جنس SS316 با ضخامت 0/1 میلیمتر از قالبی با الگوی محدب و شیارهای مارپیچ موازی استفاده گردید. در ابتدا اثر نیروی شکلدهی بر عمق کانال در دو راستای عرضی و طولی مطالعه شد. نتایج آزمایشگاهی حاکی از آن است که نسبتی مستقیم بین عمق کانال و نیروی اعمالی وجود دارد و در راستای عرضی بیشترین میزان عمق کانال در نیروهای مختلف رخ می‌دهد. علاوه بر این اثر سختی لاستیک بر عمق کانال صفحات دوقطبی بررسی و مطالعه شد. نتایج به‌دست‌آمده نشان داد که حداکثر عمق کانال با افزایش سختی لاستیک، کاهش می‌یابد. از سوی دیگر، با کاهش زیاد سختی لایه لاستیکی، تأمین فشار لازم برای شکل‌دهی ورق با مشکل مواجه خواهد شد. در ادامه عمق کانال‌های میانی و کناری در راستای طولی با هدف بررسی دقت ابعادی کانال‌ها، اندازه‌گیری شدند. نتایج آزمایشگاهی نشان داد عمق کانال‌ها در این راستا یکنواخت می‌باشد که این موضوع نشان‌دهنده دقت ابعادی قابل قبول برای نمونه‌های شکل داده شده است.

کلیدواژه‌ها

شکل‌دهی فلزات

شکل‌دهی لاستیکی

پیل سوختی پلیمری

صفحات دوقطبی فلزی

سختی لاستیک

20.1001.1.23829796.1401.19.3.3.3

موضوعات

ساخت و تولید

عنوان مقاله English

Feasibility of Forming U-shaped Microchannels by Flexible-die Forming Process

نویسندگان English

Hossein Talebi-Ghadikolaee ¹

Majid Elyasi ²

Yaghoub Dadgar Asl ³

A;i Zeinolabedin Beygi ⁴

Mohammadmahdi Davoudi ⁵

¹ Assistant Professor, Department of Mechanical Engineering, University of Kashan, Kashan, Iran.

² Associate Professor, Department of Mechanical Engineering, Babol Noushiravani University of Technology, Babol, Iran.

³ Assistant Professor, Department of Mechanical Engineering, Technical and Vocational University (TVU), Tehran, Iran.

⁴ Msc. Student, Department of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran.

⁵ Professor, Faculty of Engineering, Cheongju University, Cheongju, South Korea.

چکیده English

Metallic bipolar plates can be mentioned as one of the main components of the fuel cell. Various methods such as hydroforming process, electromagnetism, stamping, and rubber forming are used to produce these plates. In this study, the effect of rubber layer on the production of the metallic bipolar plate by the rubber forming method was investigated. The forming die with a convex pattern and parallel helical grooves was used to fabricate bipolar plates made of SS316 with a thickness of 0.1 mm. First, the effect of forming force on channel depth in both transverse and longitudinal directions was studied. Experimental results indicated that there is a direct relationship between the depth of the channel and the applied force, and the maximum depth of the channel occurs in the transverse direction. In addition, the effect of hardness of rubber on the channel depth of bipolar plates was investigated. The results showed that the maximum depth of the channel decreases with increasing hardness of the rubber. On the other hand, with a large decrease in the hardness of the rubber layer, it would be difficult to provide the pressure for applying the plastic deformation on the sheet metal. Then, the depth of the middle and side channels in the longitudinal direction was measured in order to evaluate the dimensional accuracy of the channels. The experimental results showed that the depth of the channels is uniform in this direction, which indicates the acceptable dimensional accuracy for the fabricated samples.

کلیدواژه‌ها English

Metal Forming

Rubber Pad Forming

PEM Fuel Cell

Metallic Bipolar Plate

Hardness of Rubber

[1] Blunk, R. H. J., Lisi, D. J., Yoo, Y-E., & Tucker III, C. L. (2003). Enhanced conductivity of fuel cell plates through controlled fiber orientation. American Institute of Chemical Engineers Journal, 49(1), 18-29. https://doi.org/10.1002/aic.690490104

[2] Müller, A., Kauranen, P., Von Ganski, A., & Hell, B. (2006). Injection moulding of graphite composite bipolar plates. Journal of Power Sources, 154(2), 467-471. https://doi.org/10 .1016/j.jpowsour.2005.10.096

[3] Peker, M. F. (2012). Investigations on the micro-scale surface interactions at the tool and workpiece interface in micro-manufacturing of bipolar plates for proton exchange membrane fuel cells [Doctor, Virginia Commonwealth University]. Richmond, Virginia. https://scholarscompass.vcu.edu/cgi/viewcontent.cgi?referer=&httpsredir=1&article=3759&context=etd

[4] Bar-On, I., Kirchain, R., & Roth, R. (2002). Technical cost analysis for PEM fuel cells. Journal of Power Sources, 109(1), 71-75. https://doi.org/10.1016/S0378-7753(02)0 0062-9

[5] Sopian, K., & Wan Daud, W. R. (2006). Challenges and future developments in proton exchange membrane fuel cells. Renewable Energy, 31(5), 719-727. https://doi.org/10.1016/j.renene. 2005.09.003

[6] Heinzel, A., Mahlendorf, F., & Jansen, C. (2009). Bipolar Plates. In Proton-Exchange Membrane Fuel Cells. Elsevier. https://booksite.elsevier.com/brochures/ecps/PDFs /BipolarPlates.pdf

[7] Ghaffari Torab Torki, R., Hassan, M. N., Kasaei, M. M., & Talebi-Ghadikolaee, H. (2020). Numerical and Experimental Study on Guillotine Shearing of a Complex Profile Produced by Roll Forming process. Journal of Solid and Fluid Mechanics, 10(3), 1-15. https://doi.org/10.22044/jsfm.2020.8537.2952

[8] Li, Z., Tang, J., & Bai, J. (2020). A novel micro-EDM method to improve microhole machining performances using ultrasonic circular vibration (UCV) electrode. International Journal of Mechanical Sciences, 175(8), 105574. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2020.105574

[9] Liu, S., Xia, Y., Liu, Y., Shi, Z., Yu, H., Li, Z., & Lin, J. (2022). Tool path planning of consecutive free-form sheet metal stamping with deep learning. Journal of Materials Processing Technology, 303(2), 117530. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2022.117 530

[10] Maleki, A., Ahmadi, A., & Talebi-Ghadikolaei, H. (2019). Numerical Investigation of Bending Angle and Entropy Generation in Laser Forming of High Strength Steel. Journal of Solid and Fluid Mechanics, 9(4), 151-166. https://doi.org/10.22044/jsfm. 2020.7875.2791

[11] Liu, Y., & Hua, L. (2010). Fabrication of metallic bipolar plate for proton exchange membrane fuel cells by rubber pad forming. Journal of Power Sources, 195(11), 3529-3535. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2009.12.046

[12] Lim, S. S., Kim, Y. T., & Kang, C. G. (2013). Fabrication of aluminum 1050 micro-channel proton exchange membrane fuel cell bipolar plate using rubber-pad-forming process. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 65(1), 231-238. https://doi.org/10.1007/s00170-012-4162-8

[13] Belali-Owsia, M., Bakhshi-Jooybari, M., Hosseinipour, S. J., & Gorji, A. H. (2015). A new process of forming metallic bipolar plates for PEM fuel cell with pin-type pattern. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 77(5), 1281-1293. https://doi.org/10.1007/s00170-014-6563-3

[14] Jeong, M-G., Jin, C-K., Hwang, G-W., & Kang, C-G. (2014). Formability evaluation of stainless steel bipolar plate considering draft angle of die and process parameters by rubber forming. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, 15(5), 913-919. https://doi.org/10.1007/s12541-014-0417-7

[15] Bakhshi, M., Mohammadtabar, N., Hosseinipour, S. J., & Gorji, A. (2014). The Study of effective parameters in hydroforming of fuel cell metallic bipolar plates with parallel serpentine flow field. Modares Mechanical Engineering, 14(8), 17-27. https://mme.mod ares.ac.ir/article-15-7256-en.html

[16] Belali Osia, M., Hosseinipour, S. J., Bakhshi, M., & Gorji, A. (2015). Forming of metallic bipolar plate with pin-type pattern by using hydroforming process in convex die. Modares Mechanical Engineering, 14(10), 150-158. https://mme.modares.ac.ir/article-15-1250-en.html

[17] Talebi-Ghadikolaee, H., Barzegari, M. M., Ahmadi Khatir, F., & Seddighi, S. (2022). Numerical-experimental study on the thickness distribution of metallic bipolar plates for PEM fuel cells. Hydrogen, Fuel Cell & Energy Storage, 9(1), 1-18. https://doi.org/10.22 104/ijhfc.2021.5217.1230