Beschreibung

Titel

Verfahren zum Herstellen eines Wabenkörpers für einen Katalysator oder Partikelfilter, sowie Extrudervorrichtung zum Herstellen eines solchen Wabenkörpers

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Wabenkörpers und eine Extrudervorrichtung nach den Oberbegriffen der nebengeordneten Patentansprüche.

Keramische Wabenkörper werden als Katalysatorträger oder Partikelfilter im Abgasstrang von Brennkraftmaschinen eingesetzt. Die Wabenkörper werden durch Extrudieren mit einer Strangpresse hergestellt, wobei unterschiedliche Keramikmaterialien zum Einsatz kommen, beispielsweise SiC, Cordierit, und ähnliche Materialien. Aus der Extrudervorrichtung tritt ein Materialstrang aus, der eine

Gitterstruktur und einen umlaufenden massiven Mantel aufweist. Der extrudierte Materialstrang wird dann weiterverarbeitet, unter anderem gesintert und getrocknet, was zu einem Volumenschwund und möglicherweise auch sonstigen Abweichungen von der idealen zylindrischen Form führt. Dies kann den Einbau des fertigen Wabenkörpers in ein meist metallisches Gehäuse erschweren. Es ist daher ebenfalls bekannt, die Außenkontur des Wabenkörpers durch Abtragen so nachzubearbeiten, dass die gewünschte Außenform erhalten wird, was jedoch bisher vergleichsweise aufwändig ist.

Offenbarung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Extrudervorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass die Herstellung eines formgenauen Wabenkörpers möglichst einfach und preiswert ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und durch eine Extrudervorrichtung mit den Merkmalen des jeweiligen nebengeordneten Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind darüber hinaus in Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung. Die Merkmale können dabei für die Erfindung in ganz unterschiedlichen

Kombinationen und auch in Alleinstellung wichtig sein, ohne dass hierauf jeweils explizit hingewiesen wird.

Indem eine Außenfläche des massiven Mantels des Extrusionsprodukts beim Extrudie- ren mit einer Strukturierung versehen wird, muss beim Nachbearbeiten, um den Wabenkörper in eine gewünschte Form zu bringen, weniger Material abgetragen werden. Dadurch ist für diesen Verfahrensschritt weniger Zeit erforderlich, es muss weniger Ausgangsmaterial verwendet werden und der Verschleiß am Werkzeug, welches für die Nachbearbeitung eingesetzt wird, wird reduziert. Dies führt neben der Zeitersparnis auch zu einer Kostenersparnis bei der Herstellung des Wabenkörpers.

Eine erste vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Strukturierung der Außenfläche mindestens bereichsweise durch im Querschnitt wellenförmige Erhebungen und Täler gebildet wird. Die wellenförmige Erhebung kann beispielsweise sinusförmig sein oder aus zueinander entgegengesetzten Kreissegmenten bestehen. Der Umfang des Materialabtrags nimmt also mit dessen Tiefe zu, was bei bestimmten Materialien und/oder Anwendungsformen von Vorteil ist.

Möglich ist auch, dass die Strukturierung der Außenfläche mindestens bereichsweise durch im Querschnitt dreieckförmige Erhebungen und Täler gebildet wird. Bei einer solchen nimmt der Materialabtrag im Wesentlichen linear mit der Tiefe zu. Auch dies hat bei bestimmten Materialien und/oder Anwendungen Vorteile.

Vorgeschlagen wird ferner, dass die Strukturierung der Außenfläche mindestens be- reichsweise durch im Querschnitt rechteckförmige Erhebungen und Täler gebildet wird. In diesem Fall ist der Materialabtrag mit der Tiefe im Wesentlichen konstant.

Die Höhe der Strukturierungen und/oder deren Periodizität kann individuell auf den jeweiligen Anwendungsfall und das zu verarbeitende Material ausgerichtet werden. Eine

kleine Periode, also eine vergleichsweise "feine" Strukturierung hat den Vorteil, dass nach der Nachbearbeitung durch einen Materialabtrag eine insgesamt gleichmäßige Oberfläche vorliegt. Eine große Periode, also eine vergleichsweise "grobe" Strukturierung hat den Vorteil, dass diese auch mit vergleichsweise zähen Materialien hergestellt werden kann. ähnliches gilt auch im Hinblick auf die Höhe.

Besonders einfach und kostengünstig kann das Verfahren realisiert werden, wenn die Strukturierung beim Extrudieren durch eine entsprechende Form eines Außenrings eines Mundstücks einer Extrudervorrichtung hergestellt wird. Eine entsprechende Extrudervorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass der Außenrahmen eine Struktur aufweist, beispielsweise eine wellen-, dreieckförmige oder rechteckförmige Struktur, derart, dass eine Außenfläche des Mantels am Extrusionsprodukt beim Extrudieren mit einer Strukturierung versehen wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Figur 1 einen schematischen Schnitt durch einen keramischen Wabenkörper eines Katalysators oder Partikelfilters einer Brennkraftmaschine nach einem Sintervorgang;

Figur 2 einen schematischen Schnitt längs der Linie N-Il von Figur 1;

Figur 3 ein Detail III von Figur 2;

Figur 4 eine Darstellung ähnlich Figur 3 nach einem Materialabtrag an einer

Außenfläche eines Mantels des Wabenkörpers von Figur 3;

Figur 5 eine Darstellung ähnlich Figur 4 des Wabenkörpers nach einer

Integration in ein Gehäuse eines Katalysators oder Partikelfilters;

Figur 6 einen Längsschnitt ähnlich Figur 1 nach dem Einbau des Wabenkörpers in ein Katalysator- oder Partikelfiltergehäuse;

Figur 7 eine Darstellung ähnlich Figur 3 einer zweiten Ausführungsform eines Wabenkörpers;

Figur 8 eine Darstellung ähnlich Figur 3 einer dritten Ausführungsform eines

Wabenkörpers;

Figur 9 eine Darstellung ähnlich Figur 3 einer vierten Ausführungsform eines

Wabenkörpers; und

Figur 10 eine Darstellung ähnlich Figur 3 einer fünften Ausführungsform eines

Wabenkörpers.

Ausführungsformen der Erfindung

Figur 1 zeigt einen in etwa zylindrischen keramischen Wabenkörper 10 für einen Katalysator oder Rußpartikelfilter einer Brennkraftmaschine. Der keramische Wabenkörper 10 umfasst eine mittige Gitterstruktur 12 und einen umlaufenden massiven Mantel 14 mit einer radial nach außen weisenden Außenfläche 16.

Der keramische Wabenkörper 10 wird durch Extrudieren mit einer Strangpresse aus einem Keramikmaterial hergestellt, zum Beispiel aus SiC, Cordierit oder einem ähnli- chen Material. Dabei wird zunächst eine extrudierbare Masse aus einem keramischen Pulver, Wasser und verschiedenen Hilfsmitteln hergestellt. Diese Masse wird einer Extrudervorrichtung, beispielsweise einer Strangpresse zugeführt. In einem Presskopf der Strangpresse wird der Massestrom zu einem Propfen verdichtet. Ein am Presskopf angebrachtes feinwabiges Mundstück bewirkt einen Druckaufbau im Massestrang vor dem Mundstück bis zu einem Wert, bei dem die Masse durch die feinwabigen Bohrungen des Mundstücks zu fließen beginnt.

Die durch die Bohrungen gebildeten einzelnen Massestränge fließen in der sich anschließenden Gatterung zu einer geschlossenen Gitterstruktur zusammen, die durch

einen massiven Mantel ("Außenring") begrenzt wird. Aus dem Extruder tritt also ein Materialstrang aus, der eine mittige Gitterstruktur und einen umlaufenden massiven Mantel ("Skinning") aufweist.

Der extrudierte Materialstrang wird anschließend in Stücke einer bestimmten Länge geschnitten. In einem speziellen Trockner wird das noch feuchte Material vom Wasser befreit. Nach dem Trocknungsvorgang ist das Rohmaterial ausreichend fest, um mechanisch bearbeitet werden zu können. Aus den geschnittenen Stücken werden nun einzelne Substrate gesägt. Diese monolithischen Substrate werden dann nach einem bestimmten Temperaturprogramm gesintert. Die Spitzentemperatur beträgt bei der Herstellung von Cordieritkeramiken beispielsweise circa 1.400° Celsius.

Während der Trocknungs- und Sintervorgänge tritt eine Schwindung des monolithischen Substrats ein, die bei der Bemessung der Extrudervorrichtung beziehungsweise der Gitterstruktur des Mundstücks und beim Sägen der monolithischen Substrate berücksichtigt werden muss, damit das Endprodukt die gewünschten Maße hat.

Der hergestellte keramische Wabenkörper wird typischerweise in einem Rußpartikelfilter oder einem Katalysator eines Abgassystems einer Brennkraftmaschine verwendet. Hierzu muss der keramische Wabenkörper 10 stabil in einem Metallgehäuse gelagert werden, welches in eine Abgasanlage der Brennkraftmaschine integriert werden kann, beispielsweise durch Schweißen oder durch Verflanschen. Diesen Vorgang bezeichnet man auch als "Canning" des monolithischen Substrats. üblich ist beispielsweise das Lagern des monolithischen Substrats in einer temperaturstabilen Matte aus Keramikfa- sern, die die Verbindung zwischen dem Metallgehäuse und dem monolithischen Substrat herstellt. Letzteres ist dabei nur über Reibungskräfte im Metallgehäuse fixiert.

Bei diesem Aufbau steigt die Haltekraft mit dem Druck, den das Metallgehäuse auf die Matte aus Keramikfasern und damit das monolithische Substrat ausübt. Mit zunehmen- dem Druck steigt jedoch auch die Bruchgefahr für den keramischen Wabenkörper 10 an, so dass eine Kompression nur bis zu einem bestimmten Punkt möglich ist. Der Canning- Prozess muss deshalb so abgestimmt sein, dass ein möglichst großer Druck auf den keramischen Wabenkörper wirkt, ohne ihn zu beschädigen oder zu zerstören. Hierfür ist es besonders vorteilhaft, wenn die Außenform des keramischen Wabenkör-

pers möglichst genau gearbeitet ist, dessen Formtoleranz also möglichst klein ist.

Durch den oben bezeichneten Herstellungsprozess des keramischen Wabenkörpers 10 treten jedoch verschiedene Abweichungen von der idealen rotationssymmetrischen zylindrischen Form auf. Dies ist besonders gut aus Figur 1 ersichtlich: Dort erkennt man, dass der Außendurchmesser an den beiden axialen Enden des keramischen Wabenkörpers 10 einen größeren Wert D2 aufweist als in der axialen Mitte des keramischen Wabenkörpers 10, dort hat er lediglich den Wert Dl.

Wie aus den beiden Figuren 2 und 3 ersichtlich ist, weist die Außenfläche 16 des Mantels 14 des keramischen Wabenkörpers 10 im Querschnitt dreieckförmige Erhebungen 18 auf, die in Längsrichtung des keramischen Wabenkörpers 10 verlaufen und zwischen denen entsprechende Täler 20 gebildet sind. Die Erhebungen 18 und Täler 20 bilden insgesamt eine Strukturierung 22 der Außenfläche 16. Hergestellt wird diese Strukturierung 22 durch eine entsprechende Gestaltung der Extrudervorrichtung, insbesondere durch eine entsprechende Gestaltung des Außenrings beziehungsweise Rahmens des Mundstücks. Dieser Außenring weist eine entsprechende dreieckförmige Erhebungen und Täler aufweisende Strukturierung auf, die bei der Herstellung des Extrusionsproduktes zu der entsprechenden Strukturierung der Außenfläche 16 führt.

Wie aus den Figuren 4 - 6 ersichtlich ist, wird die Außenfläche 16 des Mantels 14 im Bereich der axialen Enden des keramischen Wabenkörpers 10 durch einen Oberflä- chenbearbeitungsprozess, beispielsweise Schleifen, nachbearbeitet. Bei diesem Nachbearbeitungsverfahren wird im Bereich der axialen Enden des keramischen Wabenkör- pers 10 mehr Material abgetragen als in der axialen Mitte. Dies bedeutet, dass im Bereich der axialen Enden die Erhebungen 18 beinahe oder erforderlichenfalls sogar bis zu den Tälern 20 abgetragen werden, wohingegen weiter zur axialen Mitte des keramischen Wabenkörpers 10 hin nur die Spitzen der Erhebungen 18 abgetragen werden. Auf diese Weise erhält man, wie aus Figur 6 ersichtlich ist, am Ende einen insgesamt rotationssymmetrischen zylindrischen keramischen Wabenkörper 10, der unter Zwischenschaltung einer temperaturstabilen Matte 24 aus Keramikfasern in ein zylindrisches Metallgehäuse 26 integriert werden kann. Aufgrund der gleichmäßig zylindrischen Außenkontur des keramischen Wabenkörpers 10 ist die auf diesen ausgeübte Druckkraft nach der Integration in das Metallgehäuse 26 und während des späteren

Betriebs relativ gleichmäßig.

Nachfolgend werden weitere mögliche Ausführungsformen eines keramischen Wabenkörpers 10 beschrieben. Dabei gilt, dass solche Elemente und Bereiche, die äquivalen- te Funktionen zu bereits beschriebenen Elementen und Bereichen aufweisen, die gleichen Bezugszeichen tragen und nicht nochmals im Detail erläutert sind.

Bei der in den Figuren 1 - 6 gezeigten Ausführungsform eines keramischen Wabenkörpers 10 wird die Strukturierung 22 durch im Querschnitt dreieckförmige Erhebungen 18 und Täler 20 gebildet. Wie aus Figur 7 hervorgeht, kann die Strukturierung 22 der Außenfläche 16 aber auch im Querschnitt wellenförmige Erhebungen 28 mit dazwischenliegenden wellenförmigen Tälern 30 gebildet werden. Die in Figur 7 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von jener der Figuren 1 - 6 jedoch nicht nur durch die Form der Strukturierung 22, sondern auch durch ihre Periodizität: Man erkennt, dass die Außenfläche 16 gemäß Figur 7 eine deutlich höhere Anzahl von wellenförmigen Erhebungen 28 und dazwischenliegenden Tälern 30 pro Umfangseinheit aufweist als bei der in den Figuren 1 - 6 dargestellten Außenfläche 16, die Strukturierung 22 ist bei der in Figur 7 gezeigten Ausführungsform also "feiner" mit einer höheren Periodizität. Diese kann, wie aus Figur 8 ersichtlich ist, noch weiter gesteigert werden.

Bei der in Figur 9 gezeigten Ausführungsform wird die Strukturierung 22 der Außenfläche 16 durch im Querschnitt rechteckförmige Erhebungen 32 mit dazwischenliegenden im Querschnitt rechteckförmigen Tälern 34 gebildet. Entsprechend Figur 10 können die rechteckförmigen Erhebungen 32 unterschiedliche Höhen aufweisen.