Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen eines Wabenkörpers aus verschlungenen Blechlagen

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen und Verfahren zur Herstellung eines Wabenkörpers mit einer Vielzahl von zumindest teilweise strukturierten Blechen, die eine Vielzahl von für ein Fluid durchlässigen Kanälen bilden.

Im Zuge der immer strenger werdenden Vorschriften hinsichtlich des Aus¬ stoßes von Schadstoffen, insbesondere von Kraftfahrzeugen, werden Katalysa¬ tor-Trägerkörper verwendet. Bei solchen Katalysator-Trägerkörpern kann es sich um metallische Wabenkörper handeln. Ein solcher Wabenkörper umfaßt z. B. einen Stapel aus einer Vielzahl von zumindest teilweise strukturierten Blechen. Der Stapel ist gegensinnig um sich selbst und um einen Zentralbe¬ reich verschlungen. Eine solche Ausführung eines Wabenkörpers ist z. B. durch das Patent U.S. 4,923, 109 bekannt.

Durch die WO 90/03220 ist ein metallischer Katalysator-Trägerkörper für Kraftfahrzeuge bekannt, der aus zumindest teilweise strukturierten Blechen aufgebaut ist. Dieser Katalysator-Trägerkörper umfaßt mindestens drei Stapel von Blechen, wobei mindestens drei der Stapel um je eine zugehörige Knicklinie im Zentralbereich des Wabenkörpers gefaltet und im gefalteten Zustand gleichsinnig umeinander und um den Zentralbereich mit den Knick¬ linien verschlungen sind.

Zur Herstellung solcher Katalysator-Trägerkörper sind Vorrichtungen bekannt, die eine um ^• eine zentrale Achse verdrehbare, an jedem Stapel angreifende gabelförmige Verschlingungseinrichtung und sich zu einer Form schließende Formsegmente umfaßt. Der Innenquerschnitt der verschlossenen Form ent- spricht dem Querschnitt des Wabenkörpers im gewickelten Zustand. Die häufigste Form, in der die Wabenkörper ausgebildet werden, ist zylinderför¬ mig. Um ein Verschlingen der Stapel um sich selbst und um einen Zen¬ tralbereich zu gewährleisten, werden die Formsegmente so zum Stapel hinbewegt, daß während der Drehung der gabelförmigen Verschlingungsein- richtung der Stapel bzw. die Stapel am Rand der Formsegmente anliegen und dieser Rand ein Widerlager bildet. Gegen Ende des Herstellungsvor¬ gangs wird die Form vollständig verschlossen und so dem Wabenkörper seine endgültige Form verliehen.

Dadurch bedingt, daß die Form aus zwei aufeinanderzu und voneinanderweg bewegbaren Formsegmenten besteht, ist der konstruktive Aufwand einer solchen Vorrichtung relativ hoch. Während eines solchen Herstellungsprozes¬ ses muß stets sichergestellt werden, daß die Formsegmente einen vorgegebe¬ nen Bewegungsablauf einhalten. Aufgrund von Abrieb, Staub oder derglei- chen kann es in den Führungen der Formsegmente zu Ablagerungen kom¬ men, die den Bewegungsablauf stören können.

Bei den bekannten Vorrichtungen zur Herstellung eines Wabenkörpers, insbesondere eines Katalysator-Trägerkörpers, besteht die Gefahr, daß wäh- rend des Schließvorgangs wenigstens ein Formsegment sich gegen die Bewegungsrichtung des noch zu verschlingenden Abschnitts eines Stabes bewegt. Drückt das Formsegment gegen den Abschnitt, so kann es zu einer unerwünschten Deformation des Stapels bzw. der Stapel kommen. Eine Deformation des Stapels führt dazu, daß einzelne Bleche teilweise verbogen werden. Hierdurch bedingt wird die Struktur des fertigen Wabenkörpers

beeinträchtigt. Zum einen leidet die Festigkeit des Wabenkörpers und zum anderen kommt es zu einer lokalen Veränderung der Kanalquerschnitte. Eine Veränderung der Kanalquerschnitte führt dazu, daß eine gleichmäßige Strö¬ mungsverteilung innerhalb des Wabenkörpers nicht mehr gewährleistet werden kann. Das Strömungsprofil eines Abgases durch einen Katalysator-Trägerkör¬ per ist jedoch mitentscheidend für die katalytische Wirkung des Katalysators.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die bekannte Vorrichtung und das Verfahren zur Herstellung eines Waben- körpers so weiterzubilden, daß während des Herstellungsprozesses die Gefahr der Deformation von Stapeln bzw. einzelner Bleche nicht auftritt. Ferner soll die Vorrichtung gegenüber Umgebungseinflüssen wie z. B. Staub, Schmutz und dergleichen unempfindlicher gestaltet werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merk¬ malen des Anspruchs 1 und eine Verfahrensführung mit den Verfahrens¬ schritten nach Anspruch 21 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Vor¬ richtung bzw. des Verfahrens sind Gegenstand der jeweils abhängigen Ansprüche.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Herstellen eines Wabenkörpers aus wenigstens einem Stapel aus einer Vielzahl von zumindest teilweise struktu¬ rierten Blechen, die eine Vielzahl von für ein Fluid durchlässigen Kanälen bilden, insbesondere eines Katalysator-Trägerkörpers, umfaßt eine Form, deren Innenkontur der Außenkontur des herzustellenden Wabenkörpers ent¬ spricht und eine um eine Achse verdrehbare, an jedem Stapel angreifende gabelartige Umschlingungseinrichtung. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß die Form die Verschlingungseinrichtung umgibt und in der Wan¬ dung der Form wenigstens ein im wesentlichen parallel zur zentralen Achse verlaufender Durchgang für mindestens ein Stapelende vorhanden ist. Im

Gegensatz zu den bekannten Vorrichtungen zum Herstellen eines Wabenkör¬ pers verzichtet die erfindungsgemäße Vorrichtung auf gegeneinander be¬ wegliche Formsegmente. Hierdurch wird eine konstruktiv einfache und wirkungsvolle Vorrichtung bereitgestellt.

Besonders günstig ist es zum Wickeln von einem Stapel, wenn dieser durch zwei Durchgänge geführt und von der Mitte aus gewickelt wird. Es ist jedoch auch möglich, einen oder mehrere Stapel gefaltet einzulegen, so daß beide Enden jedes Stapels jeweils durch einen gemeinsamen Durchgang laufen. Auch kann ein Stapel an seinem Ende von der Verschlingungsein- richtung gefaßt und nach Art einer mehrgängigen Spirale verschlungen werden. Schließlich ist es auch möglich, daß die Verschlingungseinrichtung den gefaßten Teil des Stapels zusammenquetscht, so daß ein etwa sternförmi¬ ges Zentrum entsteht.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich bevorzugt Wabenkδrper mit rundem Querschnitt herstellen, jedoch ist auch die Herstellung mit anderen Querschnitten möglich, insbesondere mit polygonalen aber an den Ecken abgerundeten Querschnitten, solange die Abweichungen von der Kreisform nicht sehr groß sind, d. h. die einzelnen Seiten von ähnlicher Länge sind.

Zum Wickeln eines Wabenkörpers aus z. B. drei Stapeln, wie er in der WO 90/03220 beschrieben ist, weist die Form drei im wesentlichen parallel zur zentralen Achse verlaufende rechteckförmige Durchgänge für die Stape¬ lenden auf. Die einzelnen Stapel werden durch die einzelnen Durchgänge in die Form eingeführt. Es liegt auf der Hand, daß ein jeder Stapel sich teilweise aus der Form erstreckt. Die gabelartige Verschlingungseinrichtung greift in einem Zentralbereich an jedem Stapel an und verschlingt die einzelnen Stapel gegeneinander. Während des Wickelvorgangs gleiten die

einzelnen Stapel durch die Durchgänge hindurch. Der Wickelvorgang wird solange ausgeführt, bis alle Stapel in die Form hineingezogen worden sind.

Bevorzugt wird eine Vorrichtung, bei der die Durchgänge äquidistant zuein- ander über dem Innenumfang der Form angeordnet sind. Diese Anordnung ist vorteilhaft, da sie zu einem symmetrisch aufgebauten bzw. gewickelten Wabenkörper führt. Sollen andere Wickelergebnisse erreicht werden, so können durch entsprechende Anordnungen der Durchgänge solche erzielt werden.

Während des Wickelvorgangs werden die noch aus der Form herausragenden Abschnitte der Stapel in diese hineingezogen. Um die beim Hereinziehen eines jeden Stapels entstehende Reibung zwischen dem Stapel und der Wandung der Durchgänge zu minimieren, wird vorgeschlagen, wenigstens eine Längsfläche mindestens eines Durchgangs im Querschnitt konvex auszu¬ bilden.

Durch diese Ausbildung einer Längsfläche entsteht zwischen dieser Längs¬ fläche und einer Fläche eines Stapels eine Linienberührung, die die Reibung zwischen der Längsfläche des Durchgangs und dem Stapel minimiert.

Bevorzugt wird eine Vorrichtung, bei der mindestens eine Längsfläche mindestens eines Durchgangs mit einer Gleitschicht versehen ist. Hierdurch wird die Reibung zwischen Stapel und Längsfläche weiter minimiert. Die Gleitschicht ist dabei vorzugsweise verschleißfest, so daß nur ein geringer Abrieb zwischen einem Stapel und der Längsfläche bzw. Gleitschicht ent¬ steht. Hierzu ist besonders eine Gleitschicht aus einem keramischen Werk¬ stoff geeignet. Die Gleitschicht kann auf der Längsfläche im Plasmaspritzver¬ fahren aufgebracht werden. Die lichte Breite eines jeden Durchgangs ent- spricht der Dicke des Stapels.

Zum Ausbringen des Wabenkörpers aus der Form weist die Vorrichtung einen in Längsrichtung der Form und in dieser verschieblichen Stempel auf. Der Stempel weist einen dem Innenquerschnitt der Form entsprechenden Querschnitt auf. Hierdurch wird ein gleichmäßiges Herausbringen des Wa- benkörpers aus der Form erreicht. Die einzelnen Bleche des Wabenkörpers können hierdurch nicht gegeneinander verschoben werden.

Vorzugsweise weist die Vorrichtung eine Form auf, die einen vorzugsweise umlaufenden, Außenflansch aufweist, der mit einer Grundplatte lösbar ver- bunden ist. Die Grundplatte weist vorzugsweise eine Öffnung auf, durch die sich eine mit dem Stempel verbundene Betätigungsstange hindurch erstreckt.

Um die Höhe der Vorrichtung zu minimieren wird vorgeschlagen, die Grundplatte mit einer Öffnung zu versehen, durch die der Stempel hindurch- führbar ist.

Zum Wickeln des Wabenkörpers weist die Verschlingungseinrichtung wenig¬ stens zwei an einem Träger angeordnete Wickeldorne auf, die mit dem oder den Stapel(n) in Eingriff bringbar sind. Die Wickeldorne können sich durch den Stempel hindurch erstrecken. Um die beim Verschlingen auftretenden Kräfte aushalten zu können, müssen die Wickeldorne relativ stabil sein, jedoch sollen sie andererseits möglichst dünn gestaltet sein, damit keine großen zusätzlichen Kanäle im Wabenkörper entstehen. Stabilisierend für die Wickeldorne ist z.B. eine zusätzliche Einspannung an den freien Enden der Wickeldorne nach dem Einlegen der Bleche. Auch eine vom runden Quer¬ schnitt abweichende Form der Wickeldorne, insbesondere ein Querschnitt in Tropfenform oder gebogener Tropfenform, wirken stabilisierend. Eine Trop¬ fenform entspricht zudem der beim Wickeln ohnehin entstehenden Form der an den Wickeldomen entstehenden Kanäle.

Vorzugsweise ist die Form einstückig ausgebildet. Sie kann z. B. aus einem Gußteil hergestellt werden. Auch die Ausbildung einer Form aus wenigstens zwei Formsegmenten ist zweckmäßig.

Zur Herstellung eines Wabenköφers mit einer Vielzahl von für ein Fluid durchlässigen Kanälen aus einer Vielzahl von zumindest teilweise struktu¬ rierten Blechlagen wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem mindestens ein Stapel aus einer Mehrzahl von zumindest teilweise strukturierten Blechlagen geschichtet wird. Jeder Stapel wird in eine der Außenform des herzustellen- den Wabenkörpers entsprechende Form eingelegt. Mindestens ein Ende jedes Stapels ragt durch mindestens einen in der Form ausgebildeten Durchgang aus der Form heraus. Jeder Stapel wird von einer Umschlingungseinrichtung in einem zentralen Bereich gehalten und durch Drehen der Verschlingungs¬ einrichtung und der Form relativ zueinander werden die Stapel zu einem Wabenköφer verschlungen, der die ganze Form ausfüllt.

Durch diese Verfahrensführung wird auf komplizierte Bewegungsabläufe verzichtet. Das Verfahren ist einfach und ohne weitere Schwierigkeiten durchführbar. Form und/oder Verschlingungseinrichtung müssen nur relativ zueinander verdrechbar sein.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Gedanken wird vorgeschlagen, minde¬ stens zwei Stapel aus einer Mehrzahl von zumindest teilweise strukturierten Blechlagen zu schichten. Anschließend wird jeder Stapel um je eine Knick- linie gefaltet. Danach werden die Stapel in eine der Außenform des herzu¬ stellenden Wabenköφers entsprechende Form eingebracht und in dieser von einer Verschlingungseinrichtung in einem zentralen Bereich gehalten. Vor¬ zugsweise ist hierzu je ein Wickeldorn im Bereich jeder Knicklinie vorhan¬ den. Beim Einlegen der Stapel in die Form ragen jeweils beide Enden eines jeden Stapels durch den gleichen Durchgang nach außen.

Weitere Vorteile und Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen

Fig. 1 schematisch in der Draufsicht eine Vorrichtung mit drei zu wickelnden Stapeln,

Fig. 2 u. 3 Momentzustände während des Wickelvorgangs,

Fig. 4 einen vollständig gewickelten Wabenköφer in einer Form,

Fig. 5 vergrößert eine Einzelheit X nach Fig. 1 ohne Stapel und

Fig. 6 eine Vorrichtung im Querschnitt.

Die Vorrichtung umfaßt eine Form 5, in deren Wandung 11 drei recht¬ eckförmige Durchgänge 8, 9 und 10 ausgebildet sind. Die Durchgänge 8, 9 und 10 sind äquidistant zueinander über den Innenumfang der Form 5 ausgebildet. Die Form 5 weist an der Außenseite der Wandung 11 einen umlaufenden Außenflansch 13 auf, der über nicht dargestellte Verbindungs¬ mittel wie z. B. Schrauben mit einer Grundplatte 14 lösbar verbunden ist. In der Grundplatte 14 ist eine Öffnung 15 ausgebildet, durch ein Stempel 16 hindurchführbar ist. Der Querschnitt der Öffnung 15 und des Stempels 16 entspricht dem lichten Querschnitt der Form 5.

Die Durchgänge 8, 9 und 10 weisen Längsflächen 11, 12 auf, die im Querschnitt konvex ausgebildet sind. Die Längsflächen 11, 12 sind jeweils mit einer Gleitschicht 18, 19 versehen, bei denen es sich um eine Gleit¬ schicht aus keramischem Werkstoff handelt.

Nicht dargestellt ist in den Fig. 1 bis 6 eine Verschlingungseinrichtung, welche die Stapel 1, 2 und 3 um eine senkrecht auf der Zeichnungsebene stehende Achse 4 verdrehbar ist. Die Verschlingungseinrichtung weist Wik- keldorne 24, 25, 26 auf, die in jeden Stapel 1, 2, 3 greifen und in Dreh¬ sinn S der Verschlingungseinrichtung verdrehen. Bevorzugt haben die Wik- keldorne einen Querschnitt in Form eines gebogenen Tropfens, der sich ohne zusätzlichen Platzbedarf der ohnehin beim Verschlingen entstehenden Kanal¬ form am Wickeldorn anpaßt und gleichzeitig die Kräfte beim Verschlingen gut aufnehmen kann.

In der Fig. 1 ist eine Form 5 dargestellt, in deren Innenraum drei Stapel 1, 2, 3 angeordnet sind. Die Stapel 1, 2, 3 sind aus einer Mehrzahl von zumindest teilweise strukturierten Blechlagen geschichtet. Jeder Stapel 1, 2, 3 ist um je eine Knicklinie 21, 22, 23 gefaltet. Die so gefalteten Stapel 1, 2 und 3 sind in die Form 5 eingebracht worden. Jeder Stapel 1, 2 und 3 ist von einer Verschlingungseinrichtung in einem zentralen Bereich 7 gehal¬ ten, wobei je ein Wickeldorn 24, 25, 26 der Verschlingungseinrichtung im Bereich jeder Knicklinie 21, 22, 23 vorhanden ist. Die beiden Enden jedes Stapels 1, 2, 3 ragen durch den gleichen Durchgang 8, 9, 10 nach außen aus der Form 5 heraus.

Durch Drehen der Wickeldorne 24, 25, 26 um die zentrale Achse 4 in Richtung S werden die einzelnen Stapel 1, 2 und 3 gleichsinnig verschlun¬ gen. Während des Wickel Vorgangs gleiten die Stapel 1 , 2 un 3 entlang der Gleitschichten 18, 19 in den Innenraum der Form 5. Der fertig gewickelte- Wabenköφer 6 weist umeinander umschlungene und um einen zentralen Bereich 7 umschlungene Stapel 1, 2 und 3 auf, wie dies aus der Fig. 4 ersichtlich ist.

Der fertig gewickelte Wabenkörper 6 kann mittels des Stempels 16 aus der feststehenden Form 5 herausgeschoben werden. Während des Herausbringens des Wabenkörpers 5 kann dieser in ein oberhalb der Form 5 angeordnetes Gehäuse eingebracht werden. Beim Wickelvorgang ist es gleichwertig, ob die Verschlingungseinrichtung, die Form oder beide gegensinnig gedreht werden, da es nur auf die relative Bewegung gegeneinander ankommt. Auf diese Weise lassen sich auch nicht kreisförmige Querschnitte des Wabenköφers herstellen, solange die Abweichung von der Kreisform nicht zu groß wird. Die Erfindung eignet sich für eine kostengünstige und mit geringen Werk- zeugkosten verbundene Herstellung von metallischen Wabenköφern.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Stapel 2 Stapel

3 Stapel

4 Achse

5 Form

6 Wabenköφer 7 Zentralbereich

8, 9, 10 Durchgänge n, 12 Längsflächen

13 Außenflansch

14 Platte 15 Öffnung

16 Stempel

17 Betätigungsstange

18 Gleitschicht

19 Gleitschicht 21,22,23 Knicklinie

24,25,26 Wickeldorn