Die Erfindung betrifft ein temperaturwechselbeständiges Bauelement, insbe- sondere ein Brenner, ein Solarabsorber, ein Katalysatorträger, ein Brennhilfs mittel, ein Transportband für einen Durchlaufofen, ein Abstandshalter, Aus gleichselement, eine Porenbrennerstruktur oder ein Schwindungsvermittler, der zwischen einem Brennhilfsmittel und Brenngut beim Sintern angeordnet werden kann, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Bauelemente, die in ihrem Einsatz starken Temperaturschwankungen beim Erreichen der Betriebstemperatur oder während des Betriebes ausgesetzt sind, müssen hohe Temperaturwechselbeanspruchungen und - häufig damit einhergehend - hohe lokale Temperaturdifferenzen innerhalb eines Bauele- mentes von mindestens 100 K ertragen und sind somit während des Einsatzes oder im Bereich des Aufheizens und Abkühlens hohen mechanischen, thermi schen und in vielen Fällen auch chemischen Beanspruchungen unterzogen. Infolge der dabei wirkenden hohen reinen mechanischen und thermomecha nischen Spannungen werden Bauelemente oder Komponenten von Maschi- nen, Aggregaten oder Anlagen stark beansprucht, so dass Rissbildungen oder andere Defekte nicht vermieden werden können und die nutzbare Lebens dauer verkürzt ist.

Relevant für das mechanische Verhalten eines Bauelementes unter dem Ein fluss von Temperaturgradienten sind dessen Wärmeleitfähigkeit, sein spezifi sches Temperaturdehnungsverhalten und der E-Modul. Je geringer der Wär meausdehnungskoeffizient und je höher die Wärmeleitfähigkeit, desto gerin ger sind die Spannungen, die sich infolge eines aufgeprägten Temperaturgra dienten innerhalb eines Bauteiles aufbauen können. Die entstehenden Span nungen innerhalb eines Bauelementes hängen überdies zum einen von den Dimensionen des Bauelementes selbst und dabei insbesondere vom Verhält nis der Länge und Breite zur Dicke, aber auch von den äußeren Rahmenbedin gungen ab, die bestimmen, ob sich das Bauelement frei bewegen kann oder fest eingespannt ist. Die Bereiche des Bauelementes mit höherer Temperatur sind bestrebt sich entsprechend stärker auszudehnen als solche, die eine niedrigere Temperatur aufweisen. Dadurch entstehen in heißeren Zonen Druckspannungen, die ihrerseits Zugspannungen in den kälteren Bereichen bewirken. Überschreiten die erzeugten Zug- und Druckspannungen die Festig keit des Werkstoffes werden diese durch plastische Verformung oder Rissbil dung und/oder Bruch abgebaut.

Bei vielen Anwendungsfällen ist auch eine Durchlässigkeit für Fluide und/oder eine vergrößerte Oberfläche gewünscht. Dazu ist es bekannt poröse Bauele mente in Form von starren Gittern, Schäumen, Netzen oder textilen Gebilden einzusetzen. Aufgrund ihrer Struktur weisen derartige Bauelemente bereits eine größere Toleranz gegenüber schroffen Temperaturwechseln auf, als kompakte Bauelemente gleicher Form und Größe.

Es versagen aber auch so ausgebildete Bauelemente, insbesondere bei hohen Temperaturdifferenzen. Die mechanische Festigkeit und Widerstandsfähigkeit von metallischen Werkstoffen wird dabei in der Regel genutzt, da keramische Werkstoffe typischerweise zwar temperaturresistenter, aber mechanisch er heblich anfälliger sind und insbesondere bei wirkenden mechanischen Zug spannungen wegen der geringeren Duktilität im Vergleich zu Metallen zur Rissbildung oder sogar zum Bruch neigen. Da diese Nachteile keramischer Werkstoffe eine große Wirkung auf die Lang zeitstabilität ausüben, werden nach wie vor metallische Werkstoffe bevor zugt. Letztgenannte Werkstoffe weisen aber die Nachteile einer geringeren maximal zulässigen Betriebstemperatur und eine geringere chemische Be ständigkeit auf.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Bauelemente aus keramischen Werkstof fen zur Verfügung zu stellen, die den Nachteil der geringeren Duktilität ge genüber den Metallen bedingt durch ihre strukturelle Gestaltung ausgleichen und somit einen größeren Widerstand gegenüber Rissbildungen oder Bruch bei an einem Bauteil wirkenden thermomechanische Wechselbeanspruchun gen leisten können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit Bauelementen, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweisen, gelöst. Anspruch 7 definiert ein Herstellungsver fahren. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen reali siert werden.

Ein erfindungsgemäßes Bauelement ist mit käfigartigen Elementen, die aus einem sinterfähigen keramischen Werkstoff bestehen und einen Hohlraum umschließen, gebildet. Die käfigartigen Elemente sind ineinander verschlun gen und dadurch zerstörungsfrei untrennbar aber ohne Fügestelle und trotz dem nicht stoffschlüssig miteinander verbunden. Zwischen käfigartigen Ele menten sind Freiräume vorhanden, so dass Relativbewegungen zwischen be nachbart angeordneten käfigartigen Elementen möglich sind. Die möglichen Relativbewegungen sind lediglich durch die geometrische Gestaltung und Di mensionierung käfigartiger Elemente begrenzt. Die käfigartigen Elemente können dabei zum Beispiel quadratisch, quaderförmig, trapezartig, prisma tisch oder durch komplexe Vielecke gebildet werden. Neben zylinderförmigen Elementen können auch konische oder kegelförmige, Kugeln sowie ellipsoi- disch geformte Strukturen genutzt werden. Zur Vereinfachung werden sie nachfolgend als käfigartige Elemente bezeichnet.

Die käfigartigen Elemente können bevorzugt rahmen-, ring-, Zylinder- oder kugelförmigen Elemente sein. Sie können auf diese Weise ein flexibles zwei- oder dreidimensionales Netzwerk bilden. Jedes Element für sich besteht aus Stegen, die flexible geometrische Anordnungen zueinander einnehmen kön nen und mindestens ein freies Volumen als Hohlraum umspannen.

Bei einem erfindungsgemäßen Bauelement können mehrere miteinander ver bundene rahmenförmige Elemente quaderförmige Elemente bilden. Zylinder förmige Elemente können mit ringförmigen Elementen, die mit Stegen mitei nander verbunden sind, gebildet werden. Kugelförmige Elemente können mit mehreren ringförmigen Elementen, die unterschiedliche Durchmesser aufwei sen und die ringförmigen Elemente mit Stegen verbunden sind, ausgebildet werden.

Je nach Anzahl, Anordnung und Art der Verbindungen können dreidimensio nale Bauelemente zur Verfügung gestellt werden. So können jeweils mehr als drei käfigförmige Elemente ineinander verschlungen und dabei miteinander verbunden sein. Dabei sollte der freie Querschnitt im Inneren käfigförmiger Elemente oder der Innendurchmesser ringförmiger Elemente so gewählt sein, dass eine Relativbewegung von durch Verschlingung miteinander verbunde nen käfigförmigen Elementen möglich ist. Mit miteinander verbundenen rah menförmigen Elementen können quaderförmige Elemente und mit mittels Stegen verbundenen ringförmigen Elementen können zylinderförmige Ele mente gebildet werden.

Je nach Dicke von Rahmen oder Zylindern/Ringen und dem freien Querschnitt von Rahmen oder dem Innendurchmesser von Zylindern/Ringen können die so miteinander verbundenen käfigförmigen Elemente Relativbewegungen zueinander ausüben. Die käfigförmigen Elemente bilden eine Rahmenstruktur, die Relativbewegungen in alle drei Achsrichtungen ohne gelenkige Verbindun gen zwischen käfigförmigen Elementen erlauben, so dass jedes käfigförmige Element bewegt werden kann, ohne dass ein benachbartes käfigförmiges Element zwingend mit bewegt werden muss. Es gibt keine direkten miteinan der fest verbundenen Kontaktflächen. Käfigförmige Elemente durchdringen einander, so dass ein Formschluss erreicht werden kann.

Dadurch und durch eine entsprechende Dimensionierung der käfigförmigen Elemente kann eine Segmentierung eines Bauelementes erreicht werden, wodurch eine Reduzierung der Wirkung von maximalen infolge von Tempera turänderungen auftretenden mechanischen Spannungen erreicht werden kann. So wird ein äußerlich auf das Bauteil aufgeprägter Temperaturgradient auf mehrere käfigförmige Elemente aufgeteilt, so dass die Temperaturdiffe renz je Segment kleiner wird. Auf diese Weise kann die maximal wirkende mechanische Spannung so weit herabgesenkt werden, dass sie die Festigkeit des Materials nicht überschreitet, da Relativbewegungen käfigförmiger Ele mente erfolgen können, mit denen unterschiedliche thermische Ausdehnun gen und thermomechanische Spannungen infolge lokal unterschiedlicher Temperaturen, die gleichzeitig an einem Bauteil auftreten, durch diese Rela tivbewegungen kompensiert werden können. Die lose Verknüpfung der käfig förmigen Elemente erlaubt folglich deren spannungsfreie Verschiebung. Die Enden der einzelnen Elemente sind somit nicht fest eingespannt, so dass sie u.a. auch bei wirkenden thermomechanischen Spannungen beweglich bleiben und diese ausgleichen können.

Außer an Knotenpunkten, an denen Stege Zusammentreffen, gibt es keine strukturbedingten Werkstoffansammlungen, die zu einer Hot-Spot-Bildung führen könnten.

Stege der käfigartigen Elemente sollten einen Hohlraum umschließen, der mindestens 60 %, bevorzugt 80 % bis 95 % des Volumens des jeweiligen käfig artigen Elements (A, B) ausmacht.

An Stegen käfigförmiger Elemente sollte ein Aspektverhältnis Länge zu Durchmesser oder Länge zu Querschnittsflächendiagonale, bei einem nichtro tationssymmetrischen Stegquerschnitt, von mindestens 3 zu 1, bevorzugt von 4 bis 10 zu 1 eingehalten sein. Dadurch kann die Relativbewegung der käfig förmigen Elemente untereinander gewährleistet werden, ohne dass es im Zuge des Herstellungsprozesses zu einem ungewollten stoffschlüssigen Kon takt zwischen den käfigförmigen Elementen kommt.

Es besteht demnach eine konstruktive Möglichkeit, die auftretenden ther momechanischen Spannungen auf ein dauerhaft ertragbares Maß zu senken. Zur Auslegung kann beispielsweise der erste Thermoschockparameter (Rs) genutzt werden. Dieser beschreibt den Temperaturgradienten in einem Bau teil, der zu einer kritischen Spannung führt. Dabei wird der Wärmeübergang als unendlich groß angenommen, die Wärmeleitfähigkeit des Materials also vernachlässigt. Dieser Parameter beschreibt daher vor allem sehr schroffe Aufheiz- oder Abkühlvorgänge, wie beispielsweise das Abschrecken von hei ßen Bauteilen in Wasser oder Öl. Derartige Temperaturgradienten können aber auch bei Brennern auftreten, die bei einem Notaus schlagartig abge schaltet und durch ein kaltes Medium, zum Beispiel mit Druckluft oder Stick stoff gekühlt werden müssen.

Mit den erwähnten Parametern Dicke von Stegen, Innendurchmesser und freien Querschnitten von käfigförmigen Elementen kann auch die Durchlässig keit für Fluide und die jeweilige Größe der Oberfläche eines Bauelements be einflusst werden. Das Verhältnis der Einzelelementlänge, -breite und -höhe zur Dicke der Stege, aus denen das Element ausgebaut ist, bestimmt demnach den freien Volumenanteil je käfigförmigem Element. Je nach konstruktiver Lösung bestimmt die Anzahl der durch dieses Volumen geführten Stege der benachbarten käfigförmigen Elemente den tatsächlichen frei durchströmba- ren Volumenanteil im gesamten Bauelement.

Ein Bauelement kann auch mit käfigförmigen Elementen (A, B) aus elektrisch leitendem und elektrisch nicht leitendem keramischen Werkstoff gebildet sein. Die Kombination elektrisch leitfähiger und nicht-leitender Werkstoffe erlaubt die Herstellung flexibler Strukturen (z.B. ein Bauteil in Gestalt eines Netzes) in dem elektrische Leiterstrukturen eingebaut sind. Damit kann eine flexible elektrische Kontaktierung ermöglicht werden, da die elektrischen Kon takte im Übergang von heißen (z.B. > 500 °C) und kalten (z.B. Raumtempera tur) Bereichen häufig besonders stark durch unterschiedliche thermische Dehnungsverhalten betroffen sind. Diese Art von Bauelementen kann mit kä figförmigen Elementen, die sowohl aus elektrisch leitendem, als auch elektrisch nicht leitenden Werkstoffen gebildet sind, hergestellt werden. Es können aber auch Bauelemente mit käfigförmigen Elementen die jeweils al lein aus elektrisch leitendem oder elektrisch nicht leitendem Werkstoff beste hen, ausgebildet werden. Käfigförmige Elemente sind mit mindestens einem in ihrem Inneren angeord neten Hohlraum ausgebildet. Wie dies erreicht werden kann, soll nachfolgend bei mindestens einer Möglichkeit zur Herstellung erfindungsgemäßer Bau elemente erläutert werden.

Bei einem erfindungsgemäßen Bauelement können unterschiedlich dimensio nierte und/oder geometrisch gestaltete käfigförmige Elemente ineinander verschlungen sein. Dadurch kann Einfluss auf die letztendliche Gesamtgeo metrie eines Bauelements oder unterschiedliche Eigenschaften in bestimmten Bereichen eines Bauelements genommen werden.

Es können auch rahmen- und zylinderförmige/ringförmige Elemente als käfig förmige Elemente an einem Bauelement vorhanden sein. Rahmenförmige Elemente können mehreckig, beispielsweise quadratisch und bevorzugt in Eckbereichen abgerundet oder abgeschrägt ausgebildet sein, was die Beweg lichkeit der ineinander verschlungenen käfigförmigen Elemente verbessern kann.

Bei der Herstellung kann so vorgegangen werden, dass käfigförmige Elemente mit einem additiven Herstellungsverfahren und anschließender Sinterung un ter Einsatz mindestens eines pulverförmigen sinterfähigen keramischen Werk stoffs so ausgebildet werden, dass sie bereits bei der Herstellung ineinander verschlungen werden und so eine Verbindung der so miteinander verbunde nen käfigförmigen Elemente erreicht wird, welche Relativbewegungen zwi schen 3-dimensional angeordneten käfigförmigen Elementen ermöglicht. Stoffschlüssige Verbindungen zwischen käfigförmigen Elementen oder auch Stegen, also den Untergittern der Struktur, werden dabei vermieden. In Bezug auf die Ausbildung thermomechanischer Spannungen sind die käfigförmigen Elemente analog zu Dehnfugen voneinander entkoppelt.

Als sinterbaren keramischen Werkstoff kann man beispielsweise SiC, AI ₂ O ₃ , ZrC>2, S1 ₃ N ₄ , Cordierit, oder Mullit einsetzen.

Als additives Herstellungsverfahren kann man beispielsweise ein Druckverfah ren, selektives Lasersintern, selektives Laserschmelzen oder auch ein selekti ves Sintern oder Schmelzen unter Einsatz eines zweidimensional auslenkbaren Elektronenstrahls einsetzen.

Es besteht prinzipiell die Möglichkeit, käfigförmige Elemente mit einem Druckverfahren zu einem grünfesten Vorprodukt zu verarbeiten und das Vor produkt bei mindestens einer Wärmebehandlung dann zu sintern.

Bei Druckverfahren kann pulverförmiger sinterfähiger Werkstoff in Form einer Suspension oder Paste, in der ein organischer oder anorganischer Binder ent halten ist, schichtweise gedruckt werden, bis ein dreidimensionales Vorpro dukt erhalten worden ist, das der Geometrie des jeweils herzustellenden Bau elements entspricht.

Bei einer Wärmebehandlung kann dann nicht nur eine Sinterung erreicht werden. Es können auch die organischen Bestandteile thermisch zersetzt oder anderweitig auf an sich bekannte Weise ausgetrieben werden.

Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung erfindungsgemäßer Bauelemente besteht in der Herstellung eines Vorproduktes aus einem thermisch zersetz baren Werkstoff mit einem additiven Herstellungsverfahren. Dabei werden käfigförmige Elemente, die mit dem thermisch zersetzbaren Werkstoff gebil det und ineinander verschlungen sind, hergestellt, aus denen das Vorprodukt aufgebaut wird. Bei der Herstellung dürfen sich die Elemente jedoch nicht unmittelbar berühren und müssen einen Mindestabstand zueinander aufwei sen.

Anschließend werden diese käfigförmigen Elemente des Vorproduktes mit einem pulverförmigen sinterfähigen keramischen Werkstoff an ihren Oberflä chen beschichtet. Diese Beschichtung kann durch Aufsprühen, Aufstreichen einer Suspension, die mit pulverförmigem sinterfähigem keramischen Werk stoff gebildet ist, oder Eintauchen des Vorproduktes in eine Suspension er reicht werden.

Im Anschluss an diese Beschichtung kann bei dem so entstandenen Halbzeug dann bei mindestens einer Wärmebehandlung der thermisch zersetzbare Werkstoff des Vorproduktes ausgetrieben und der pulverförmige sinterfähige Werkstoff gesintert werden. Innerhalb der Stege käfigförmiger Elemente wird dabei mindestens ein Hohlraum ausgebildet. Der thermische zersetzbare Werkstoff des Vorproduktes erfüllt dabei die Funktion eines Platzhalters für die Ausbildung mindestens eines von Stegen umgebenden Hohlraumes.

Mit innen hohlen käfigförmigen Elementen kann die Masse eines Bauele ments reduziert werden. Die Verringerung der thermisch trägen Masse ver bessert nicht nur die Temperaturwechselbeständigkeit, sie verringert gleich sam die notwendige Energiemenge um das Bauelement auf eine bestimmte Temperatur zu erwärmen bzw. kann diese dadurch deutlich schneller gleich mäßig über das Volumen erwärmen. Damit ist es auch aus energetischer Sicht vorteilhaft derartige Hohlstrukturen zu verwenden. Da die Stege des Vorpro duktes variabel geformt sein können, ist es möglich, diese rund zu gestalten. Im Vergleich zu einem Vollsteg weist ein Hohlsteg gleicher Masse eine höhere spezifische mechanische Festigkeit auf.

Bei der Dimensionierung des Halbzeuges kann das Maß der jeweiligen Schwindung im Verlauf des Sinterprozesses vorab berücksichtigt und somit enge Fertigungstoleranzen erreicht werden.

Neben der Verdichtung der Pulverpartikel ist auch eine Infiltration des nach der Zersetzung des Vorproduktes am Ende der ersten Wärmebehandlung nur lose gebundenen Pulverhaufwerkes mit einer Schmelze möglich. Dies könnte eine Schmelze aus Glas, Metall oder Halbmetall, wie beispielsweise Silicium sein.

Die Trägerstruktur, die gleichzeitig die Bauplattform, auf der die käfigförmigen Elemente ausgebildet werden, darstellen kann, kann die Aufgabe erfüllen, die einzelnen Bereiche des Vorproduktes während der Beschichtung und auch während der Sinterung zu trennen und eine Versinterung der einzelnen käfig förmigen Elemente des Halbzeuges miteinander zu verhindern. Erst nach der Sinterung kann diese Trägerstruktur entfernt werden, wodurch die einzelnen käfigförmigen Elemente ihre Beweglichkeit erhalten.

Das additive Herstellungsverfahren kann auf einem Trägerelement durchge führt und ein damit hergestelltes Halbzeug vor oder bei einer Wärmebehand lung, mit der eine Sinterung des sinterfähigen Werkstoffs erreicht wird, stabi- lisieren. Das Trägerelement kann daher zweckmäßiger Weise nach dem Wär mebehandlungsschritt von der eigentlichen Struktur gelöst werden.

Das als offenporiges Element erhaltene Bauelement kann aus einer beliebigen Anzahl käfigförmiger Elemente bestehen, die durch Verschlingung miteinan der verbunden sind. Wie bereits angedeutet, kann ein erfindungsgemäßes Bauelement durch Auswahl auch unterschiedlicher käfigförmiger Elemente und gewählter Anordnung von käfigförmigen Elementen je nach Applikation gestaltet werden.

Durch die additive Herstellung, insbesondere durch dreidimensionales Dru cken, können käfigförmige Elemente erhalten werden, die sich untereinander nicht unmittelbar berühren müssen.

Käfigförmige Elemente können ineinander greifen und so ein dreidimensiona les, in gewissen Grenzen flexibel verformbares Netzwerk bilden.

Ein Halbzeug oder Vorprodukt kann additiv so hergestellt werden, dass wäh rend einer Beschichtung kein Werkstoffkontakt zwischen käfigförmigen Ele menten auftritt.

Um eine Kontaktbildung, insbesondere eine stoffschlüssige Verbindung käfig förmiger Elemente zu vermeiden, können käfigförmige Elemente bis zur voll ständigen Sinterung auf einem ebenfalls additiv hergestellten Trägerelement mit einer Trägerstruktur verankert werden. Dadurch kann ein bestimmter Abstand zwischen käfigförmigen Elementen eingehalten werden, mit dem eine stoffschlüssige Verbindung vor oder während der Sinterung vermieden werden kann. Nach der Sinterung kann dieses Trägerelement mit Trägerstruk tur entfernt werden und die miteinander verschlungen käfigförmigen Elemen te können sich dann in definierten und einstellbaren geometrischen Grenzen frei bewegen.

Durch die so erreichbare mechanische Entkopplung, ohne starre Verbindun gen zwischen käfigförmigen Elementen können auftretende mechanische und thermomechanische Spannungen minimiert werden. Mittels der Kontaktstellen, an denen die käfigförmigen Elemente lose auflie gen und sich dort berühren, kann eine ausreichende thermische Leitfähigkeit erreicht werden, so dass eine schnelle Angleichung der Temperatur an einem erfindungsgemäßen Bauelement erreichbar ist.

Es können an einem erfindungsgemäßen Bauelement auch käfigförmige Ele mente vorhanden sein, die jeweils aus unterschiedlichen Werkstoffen beste hen, so dass an einem Bauelement lokal in konstruktiv vorgebbaren Bereichen unterschiedliche Eigenschaften erreicht werden können. Dadurch kann eine optimale Funktionsauslegung erreicht werden.

Käfigförmige Elemente können jeweils einstückig bzw. monolythisch und ins besondere ohne Fügestellen hergestellt worden sein. Sie können eine gitter förmige Struktur bilden.

Es besteht die Möglichkeit, je nach Anforderung, auch Gittersegmente zu er zeugen und diese mit anderen einzel- oder mehrzelligen Elementen zu ver binden. Auf diese Weise können rissanfällige Platten in zusammenhängende und doch flexibel verknüpfe Teilbereiche segmentiert werden. Da die einzel nen käfigförmigen Elemente des Bauelements sich in gewissen Grenzen in allen drei Raumrichtungen bewegen können, können mechanische Spannun gen durch die Behinderung der thermischen Dehnung infolge der Fixierung eines solchen Bauelementes in einer Halterung unterbunden werden. Dabei müssen nicht alle Bestandteile in Form eines Gitters ausgeführt werden. Stattdessen können auch einige Elemente als kompakte Monolithen mit äuße ren Schlaufen bzw. Verschlingungen erzeugt und auf diese Weise mit den git terähnlichen Elementen verbunden werden.

Ein erfindungsgemäßes Bauelement kann dreidimensional je nach gewünsch ter Applikation ausgebildet werden. Dabei kann die Größe der Oberfläche angepasst werden. Sofern für bestimmte Applikationen relevant, ist es mög lich, in verschiedenen Elementen und/oder Bereichen des Bauelementes Vari ationen der Stauwirkung eines Fluides einzustellen und damit lokal den Druckverlust bzw. Druckanstieg und auch eine bevorzugte Strömungsführung einzustellen. Bei lokal differenziertem Aufbau eines Bauelements mit unter schiedlichen käfigförmigen Elementen, die in bestimmten vorgebbaren Berei- chen eines Bauelements angeordnet sind, kann eine bestimmte Strömungs führung eines Fluids beim Durchströmen eines Bauelements vorgegeben wer den.

5 Nach dem Sintern sind, bis auf eine ggf. erforderliche Entfernung von einem

Trägerelement mit oder ohne Bauplattform, keine Nacharbeiten, insbesonde re keine mechanische Nachbearbeitung mehr erforderlich.

Ein erfindungsgemäßes Bauelement kann als Brenner, insbesondere Poren

10 brenner, Strahlungsbrenner, Hochimpulsbrenner oder Brennereinsatz, oder als Solarabsorber oder als Katalysatorträger oder als Brennhilfsmittel bzw. Zwischenschicht zwischen Brennhilfsmittel und Brenngut, das im Stande ist eine auftretende Sinterschwindung des Brenngutes auszugleichen und somit dem Verzug des Brenngutes entgegenzuwirken, verwendet werden.

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Ist ein erfindungsgemäßes Bauteil ein Transportband für einen Durchlaufofen kann durch die erreichbare großflächige Verknüpfung der Strukturelemente eine sehr hohe Flexibilität auch bei sehr großen Temperaturgradienten gesi chert werden. Die Gestaltung der Strukturelemente kann dabei auch Aufla

20 gepunkte für das jeweilige Brenngut beinhalten. Damit bieten sie eine Ergän zung zu oder sogar einen Ersatz von keramischen Brennkassetten oder Plat ten, in bzw. auf denen das Brenngut positioniert werden kan und die ihrer seits auf keramischen Rollen transportiert werden.

25 Bei flexiblen Abstandshaltern und Ausgleichselementen kann die flexible

Struktur genutzt werden, um die ggf. unterschiedliche thermische Dehnung kompakter keramischer oder metallischer Komponenten in thermisch bean spruchten Systemen auszugleichen, so dass zwischen diesen stets ein definier tes Abstandsmaß beibehalten werden kann, wenn ein entsprechender Ab

BO standshalte bzw. Ausgleichselement dazwischen positioniert ist. Die Fertigung des flexiblen keramischen Gitters erlaubt den Ausgleich stark unterschiedli cher thermischer Dehnungsverhalten, z.B. zwischen Gegenständen aus A O ₃ und SiC oder zwischen Keramik und Metallen, insbesondere Stahl.

35 Ein Bauteil kann auch eine modulierbare Porenbrennerstruktur sein. Die Be wegung des flexiblen Gitters der käfigförmigen Elemente erlaubt eine Gestal- tänderung in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen. So kann das Gegendruckverhalten eines Porenbrenners gezielt beeinflusst werden, in dem sich die Struktur bei höher Leistung und damit auch höherem Gasvolumen strom durch eine entsprechende Gestaltung der einzelnen Elemente aufwei tet und bei niedrigerer Leistung mit kleinem Volumenstrom wieder zusam menzieht. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass die Flamme auch bei sehr hohen Leistungen in der Struktur verbleibt und nicht aus dem Porenkörper ausgetragen wird. So bleiben die positiven Eigenschaften des Porenbrenners über einen größeren Modulationsbereich erhalten. Allgemeiner formuliert erlaubt die Änderung der Gestalt, Geometrie und damit auch des durch- strömbaren Querschnitts bei auftretenden Temperaturänderungen eine quasi automatische Prozessregelung.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.

Dabei zeigen:

Figur 1 in schematischer Form ein Beispiel eines erfindungsgemäßen

Bauelements, das mit quaderförmigen Elementen A und zylinderförmigen Elementen B als käfigförmige Elemente gebildet ist, die jeweils ineinander verschlungen sind, wobei die senkrechten Stege der zylinderförmigen Elemen te B zwischen den quaderförmigen Elementen A verlaufen;

Figur 2 in schematischer Form ein Beispiel eines erfindungsgemäßen

Bauelements, das mit quader- und zylinderförmigen Elementen gebildet ist, die jeweils ineinander verschlungen sind, wobei die senkrechten Stege der zylinderförmigen Elemente B in diesem Fall innerhalb der quaderförmigen Elemente A verlaufen;

Figur 3 in schematischer Form ein Beispiel eines erfindungsgemäßen

Bauelements, das mit nur mit quaderförmigen Elementen A unterschiedlicher Größe Al und A2 gebildet ist, die jeweils ineinander verschlungen sind und

Figur 4 in schematischer Form ein Beispiel eines erfindungsgemäßen

Bauelements, das mit nur mit nur zylinderförmigen Elementen B unterschied licher Größe Bl und B2 gebildet ist und zusätzliche senkrechte Stege C zur Stabilisierung aufweisen, die jeweils ineinander verschlungen sind und Figur 5 in schematischer Form ein Beispiel eines erfindungsgemäßen

Bauelements analog Figur 2, das mit quader- und zylinderförmigen Elementen gebildet ist, die jeweils ineinander verschlungen sind und das Bauelement auf einer Trägerstruktur D angeordnet ist.

Figur 1 zeigt ein Bauelement, das mit quader- und zylinderförmigen Elemen ten A und B als käfigförmige Elemente gebildet ist, die jeweils ineinander ver schlungen sind. Dabei ist jeweils ein zylinderförmiges Element B mit vier rah menförmigen Elementen A, die eine quadratische Form aufweisen, verschlun gen. Die senkrechten Stege der zylinderförmigen Elemente B, die ringförmige Elemente, mit denen zylinderförmige Elemente B gebildet sind, verlaufen ge nau zwischen den quaderförmigen Elementen A und halten diese so auf Ab stand.

Figur 2 zeigt ein Bauelement, das mit quader- und zylinderförmigen Elemen ten A und B gebildet ist, die jeweils ineinander verschlungen sind. Dabei ist jeweils ein zylinderförmiges Element B mit vier rahmenförmigen Elementen A, die eine quadratische Form aufweisen, verschlungen. Die senkrechten Stege der zylinderförmigen Elemente B verlaufen in diesem Fall innerhalb der qua derförmigen Elemente A.

Figur 3 zeigt ein Bauelement, das nur mit quaderförmigen Elementen Al und A2 gebildet ist, die jeweils ineinander verschlungen sind. Dabei wurden meh rere rahmenförmige Elemente Al und A2, die unterschiedliche Geometrien und Dimensionierungen aufweisen und Bestandteil jeweils eines quaderför migen Elements sind, eingesetzt.

Figur 4 zeigt ein Bauelement, das mit ringförmigen Elementen Bl und B2 ge bildet ist, die jeweils ineinander verschlungen sind. Dabei weisen die ringför migen Elemente Bl und B2 in ihrem Inneren Stege CI und C2 auf, die jeweils senkrecht innerhalb eines ringförmigen Elements Bl und B2 angeordnet sind und die die Stabilität erhöhen können. Die ringförmigen Elemente Bl und B2 sind jeweils mit senkrechten Stegen verbunden, so dass sie zylinderförmige Elemente bilden. Figur 5 zeigt ein Bauelement, das mit quader- und zylinderförmigen Elemen ten A und B, wie beim Beispiel nach Figur 2 gebildet ist, die jeweils ineinander verschlungen sind. Dabei sind quader- und zylinderförmige Elemente A und B mit einer Trägerstruktur D verbunden.

Beispiel 1

Für industrielle Trocknungsprozesse bei der Papierherstellung, werden flächi ge Strahlungsbrenner eingesetzt. Diese werden bisher häufig mit einem me tallischen Glühkörper versehen, um die entstehende Wärme optimal an das zu beheizende Gut abzustrahlen. Die chemische Stabilität des Metalls und dessen Tendenz zur Erweichung begrenzen die Brenntemperaturen. Um eine Steigerung des Wirkungsgrades zu erzielen und die Energieeffizienz zu verbes sern, ist es vorteilhaft Glühkörper aus Keramik einzusetzen. Dabei sind insbe sondere offenzeilige Netzwerke, wie beispielsweise keramische Schäume oder Strukturen auf Basis technischer Textilien interessant. Diese besitzen häufig nur einen Materialvolumenanteil von 50 % bis 10 % und sind entsprechend gut durchströmbar. Durch die hohe thermische Beständigkeit des Siliciumcar- bids werden diese Strukturen bevorzugt aus einer der beiden Materialvarian ten SSiC (drucklos gesintertes SiC) oder SiSiC (Silicium-infiltriertes SiC) herge stellt. Trotz des geringen Werkstoffvolumenanteils und den Vorzügen der netzwerkartigen Struktur neigen derartige keramische Strahlkörper zur Riss bildung infolge der auftretenden Temperaturgradienten, insbesondere bei Modulationsprozessen und beim Brennerstart.

Bei der Erfindung können solche Strahlkörper von Strahlungsbrennern, in de nen die Verbrennungsreaktion abläuft, durch die Segmentierung in einzelne, miteinander verbundene, aber flexible bewegliche käfigförmige Elemente hergestellt werden. Die Elemente eines Strahlkörpers können dabei die wäh rend des Zünd- und Moduliervorganges auftretenden Temperaturgradienten deutlich besser verkraften als monolithische Platten aus keramischem

Schaum, regelmäßigen oder unregelmäßigen Netzwerken.

Für die Herstellung eines solchen Bauelements wird zunächst eine Konstrukti on angefertigt, die die Gestalt der einzelnen Elemente A und B und ihre späte- re Anordnung zueinander definiert. Diese kann beispielsweise aus zwei käfig förmigen Elementarten A und B bestehen. Die Einheitszelle des quaderförmi gen Elements A sei dabei ein einfacher Würfel mit Stegen einer Kantenlänge von 15 mm. Die Einheitszelle des Elementes B sei ein zylinderförmiger Volu menkörper bestehend aus zwei ringförmigen Elementen mit einem Durch messer von ebenfalls 15 mm und vier rotationssymmetrisch angeordneten Stegen C mit einer Länge von 15 mm, die die beiden ringförmigen Elemente miteinander zu einem zylinderförmigen Element verbinden. Die quader- und zylinderförmigen Elemente A und B sollen in diesem Fall aus zwei übereinan der angeordneten Einheitszellen bestehen, so dass der jeweilige Strahlkörper in Summe aus zwei Ebenen besteht. Die Stegdicke aller Elemente sei mit 2,5 mm und der Außendurchmesser bei rotationssymmetrischen Stegen bzw. die Länge der Flächendiagonale bei nichtrotationssymmetrischen Stegen mit 2,5 mm definiert. Jedes Element besitzt zusätzliche Stege C, die es nach unten mit einer Trägerstruktur D verbinden können, um den Abstand der einzelnen Elemente A und B zueinander zu gewährleisten. Auf dieser Trägerstruktur D seien die Elemente A mit einem Abstand von 5 mm zueinander angeordnet. Die mittlere Längsachse (Zentralachse) durch die ringförmigen Elemente B sei symmetrisch im Schnittpunkt der Diagonalen zwischen den quaderförmigen Elementen, die mit rahmenförmigen Elementen A gebildet sind, angeordnet (vgl. Fig. 5). Die vertikal verlaufenden Stege C der quaderförmigen Elemente A durchdringen dabei die Volumen der zylinderförmigen Elemente B und ver knüpfen so beide Strukturen. Die vertikalen Stege D der zylinderförmigen Elemente B ihrerseits verlaufen in den Zwischenräumen der quaderförmigen Elemente A und definieren so den minimal möglichen Abstand zwischen den Gitterelementen. Die zylinderförmigen Elemente B seien überdies durch die Trägerstruktur D so angeordnet, dass sie um eine halbe Einheitszelle höher angeordnet sind als die Elemente des Typs A (vgl. Fig. 5). Das gesamte Bau element soll aus einem Raster von 10 x 7 quaderförmigen Elementen A und 9 x 6 zylinderförmigen Elementen B bestehen und so eine Gesamtdimension von 200 mm x 140 mm aufweisen.

Für ein Beispiel soll die konstruierte Struktur mittels 3D-Druck in ein polyme res Vorprodukt (Templat) überführt werden. Dieses polymere Vorprodukt, das beispielsweise mittels selektivem Lasersintern aus Polyamid gefertigt werden kann, soll dann mit einer keramischen Suspension aus SiC-Partikeln nach dem oben beschriebenen Verfahren beschichtet werden. Die auf Wasserbasis be ruhende Suspension kann beispielsweise sinterfähige SiC-Partikel in Form ei ner bimodalen Mischung aufweisen, deren mittlere Partikelgröße dso zwi schen 0,01 pm und 50 pm beträgt. Daneben kann diese Suspension noch an organische und/oder organische Additive zur Einstellung eines geeigneten Fließ- und Benetzungsverhaltens, sowie Hilfsmittel, zur Einstellung des Sinter verhaltens enthalten. Im Falle einer Siliciumcarbid-Suspension enthält diese beispielsweise eine bimodale SiC-Partikelgrößenverteilung, hergestellt durch Mischung von SiC-Pulvern mit mittleren Partikelgrößen dso von 2 pm und 25 pm im Verhältnis von 60 % zu 40 %; außerdem 0,7 % Borcarbid und 12 % eines wasserlöslichen Polysaccharids (entspricht 2,5 % Kohlenstoff nach der Pyrolyse) als Sinteradditiv. Bei den Prozentangaben soll es sich generell um Masse-% handeln.

Das Fließverhalten der Suspension sollte so eingestellt sein, dass alle zu be schichtenden Oberflächenbereiche des gedruckten Vorprodukts mit Suspensi on benetzt werden können. Hierzu wird ein Feststoffgehalt von ca. 87 Masse- % bezogen auf die gesamte Masse der Suspension eingestellt. Die Beschich tung selbst kann mittels eines Tauchverfahrens erfolgen, bei dem das zuvor gedruckte gitterförmige Vorprodukt in ein Suspensionsreservoir eingetaucht und nach einer definierten Verweilzeit wieder entnommen wird. Nach dem Tränkprozess kann überschüssige Suspension durch Rütteln oder Zentrifugie ren entfernt werden, wobei die Wahl der Prozessparameter die Schichtdicke der Beschichtung bestimmt. Hierbei ist darauf zu achten, dass die einzelnen Elemente A und B nicht durch Suspensionsfilme bzw. Tropfen miteinander verbunden werden. Die Beschichtungsparameter sind so einzustellen, dass möglichst eine gleichmäßige Stegumhüllung im gesamten Bauteil vorliegt. Die Dicke der Beschichtung sollte zwischen 50 pm und 750 pm, bevorzugt zwi schen 120 pm und 500 pm liegen. Es ist möglich, die Dicke der Beschichtung auch durch mehrfache aufeinanderfolgende Tauchvorgänge mit zwischenge lagerten Trocknungszeiten zu erreichen. Nach einem abschließenden Trock nungsprozess bei 60 °C bis 80 °C über einen Zeitraum von 1 Stunde bis 8 Stun den erfolgt eine Hochtemperaturwärmebehandlung, die mit der thermischen Zersetzung oder der Ausschmelzung der gedruckten, polymeren Vorprodukt struktur beginnt. Die Temperatur für diesen Prozessschritt ist so zu wählen, dass ein vollständiges Entfernen des Vorproduktes durch Ausschmelzen oder thermische Zersetzung möglich ist, bevor der Verdichtungsprozess durch das Sintern beginnt. Im vorliegenden Fall kann diese Temperatur bis zu 1200 °C betragen, wobei die Zersetzung oder Ausschmelzung des Kernelementwerk stoffs, mit dem das Vorprodukt hergestellt worden ist, günstigstenfalls unter Inertgasatmosphäre durchgeführt werden kann. Ist dies erfolgt, kann durch das Sintern das abgeformte Halbzeug in ein keramisches Bauelement mit ge ometrisch verbundenen, aber stofflich getrennten Elementen A und B über führt werden. Dazu wird das verbliebene SiC-Pulvergerüst unter Argon- Atmosphäre bei einer Temperatur zwischen 2000 °C und 2200 °C gesintert.

Die lineare Schwindung der Struktur kann zwischen 3 % und 20 % betragen und wird durch die Wahl des Ausgangspulververhältnisses, die Sintertempera tur und die Art und Menge der zugesetzten Additive bestimmt.

Nach Abschluss des Sintervorganges muss die Trägerstruktur D mechanisch entfernt werden. Dadurch erlangen die einzelnen käfigförmigen Elemente A und B ihre Beweglichkeit innerhalb der zuvor definierten geometrischen Grenzen.

Die flexible Gitterstruktur kann nun in eine Rahmenkonstruktion für Strah lungsbrenner eingebunden werden. Hierbei empfiehlt es sich nur wenige Ele mente der Randbereiche fest einzubinden und den anderen die Bewegung zur Minimierung mechanischer Spannungen zu ermöglichen.

Beispiel 2

Ein zweites Anwendungsbeispiel sind Strahlbrenner, wie sie unter anderem bei Temperprozessen in der Glas- und Stahlindustrie zum Einsatz kommen. Sie dienen beispielsweise zu Erwärmung von Halbzeugen für deren nachfolgende Umformung. Durch das Eindüsen heißer Verbrennungsgase kann eine bessere Umwälzung der Ofenatmosphäre erreicht werden, was zu einer gleichmäßige ren und schnelleren Durchwärmung des Brenngutes führt. Die Brennerdüsen dieser Strahlbrenner bestehen zumeist aus Silicium-infiltriertem Siliciumcar- bid. Um eine höhere Brennereffizienz zu erreichen können in den Brennraum der Siliciumcabrid-rohre poröse Flammhalter eingebaut werden, die dann als eine Art Porenbrenner fungieren. Für diesen Anwendungsfall können monoli thische poröse Flammhalterstrukturen aus Hochtemperaturwerkstoffen, wie beispielsweise Siliciumcarbid nicht mehr eingesetzt werden, da sie der schlag artigen Belastung im pulsenden Betrieb nicht standhalten. Eine Brennerkom ponente aus einem flexiblen keramischen Netzwerk hingegen ist hierbei in der Lage die hohen mechanischen Belastungen durch die schlagartige Ausbreitung der gezündeten Brenngase ebenso zu ertragen, wie die auftretenden ther momechanischen Spannungen durch die Temperaturgradienten.

Im Gegensatz zu den im Beispiel 1 beschriebenen flachen Strahlungsbrennern mit häufig rechteckiger Grundfläche, sind die Brennerdüsen vorzugsweise rund gestaltet. Erfindungsgemäß kann auch hierfür eine optimale konstruktive Lösung gefunden werden, die eine maximale Stabilität der Struktur als Ganzes bzw. ihrer einzelnen Elemente ermöglicht. Der Herstellungsprozess von der Konstruktion über den Druck bis hin zur Beschichtung, Wärmebehandlung und anschließenden Entfernung der Stützstruktur D ist äquivalent zum Beispiel 1.

Da die mechanische Belastung aber ungleich höher ist, können die Stege C der Elemente A und/oder B dicker ausgeführt werden. Auch ist es möglich alle oder einzelne Elemente A und/oder B konstruktiv besonders unempfindlich gegenüber mechanischen Lastspitzen zu gestalten, indem diese beispielsweise keine scharfen Kanten aufweisen. So kann eine solche Struktur unter anderem aus kugelartigen Elementen aufgebaut sein, die ihrerseits aus drei ringförmi gen Stegen bestehen.

Beispiel 3

Brennhilfsmittel und Sinterunterlagen werden in der keramischen Industrie in vielfältigen Formen benötigt. Ihre Aufgabe besteht in der stabilen Lagerung von Brenngut über den gesamten Prozess der Wärmebehandlung. Aus ener getischer Sicht ist es nützlich, wenn diese Brennhilfsmittel hohe Aufheiz- und Abkühlraten ertragen können und überdies möglichst leicht sind, damit so wenig Masse wie möglich zusätzlich zum eigentlich Brenngut erwärmt werden muss. Da viele keramische Produkte im Verlauf der Sinterung eine Schwin dung erfahren, sind mitschwindende Unterlagen von hohem Interesse. Ge mäß der vorliegenden Erfindung können Brennhilfsmittel aus verschiedenen Materialien gefertigt werden, die durch ihre netzwerkartige Struktur beson ders leicht sind. Die Beweglichkeit der einzelnen käfigförmigen Elemente er- möglicht es die Schwindung von Brenngut auszugleichen oder reduziert zu mindest die sonst üblicherweise auftretende Behinderung der Schwindung.

Beispielhaft können derartige Brennhilfsmittel aus Cordierit aufgebaut wer den. Hierfür kann Cordieritschamotte mit Ballclay, Speckstein und Alumini umoxid in einem Verhältnis von ca. 60 zu 20 zu 15 zu 5 gemischt werden. Da für werden die pulverförmigen Ausgangstoffe mit einer mittleren Partikelgrö ße d5o von ca. 20 pm mit Wasser vermischt und zu einer fließfähigen Suspen sion mit ca. 80 % bis 85 % Feststoffanteil verarbeitet. Das Fließverhalten kann wesentlich über die Korngröße der Cordieritschamotte beeinflusst werden. Anschließend erfolgt analog zu Beispiel 1 die Beschichtung eines mit gedruck ter Trägerstruktur versehenen Vorproduktes, das entsprechend der Aufgabe auch aus einem zusammenhängenden Grundgitter gefertigt sein kann, in das flexible Einzelelemente als zweites Gitter eingebracht sind. Bei einer Wärme behandlung von ca. 1300 °C wird das Material gebrannt, wobei zunächst das Vorprodukt thermisch zersetzt wird. Das verbleibende zusammenhängende untere Gitter übernimmt dabei die Funktion der Lastaufnahme und Weiterlei tung zu den Stützen des Ofenaufbaus. Die beliebig gestalteten kleineren Ele mente, die aus mindestens einer Elementzelle aufgebaut sind, bilden die zwei te Ebene, auf der das Brenngut ablegt werden kann. Durch die gezielt ausge wählten Kontaktpunkte und die konstruktive Vorgabe ihrer Beweglichkeit können Dimensionsänderungen des Brenngutes während der Sinterung aus geglichen werden.

Ein solches Brennhilfsmittel kann beispielsweise ein quadratisches Grundgit ter mit 460 mm Kantenlänge aufweisen, dessen einzelne käfigförmigen Ele mente ca. 20 mm Kantenlänge besitzen. Erfindungsgemäß können voneinan der unabhängige Elemente A mit einer Kantenlänge von beispielsweise 20 mm bis 50 mm in dieses Gitter eingepasst sein. Diese bilden die eigentliche Kon taktfläche zum Brenngut. Um eine Ebene Auflage zu ermöglichen können Elemente A auch einseitig an der Oberseite mit einer ebenen Platte verschlos sen sein.