DE102013106396A1

DE102013106396A1 - Verfahren zum Herstellen eines keramischen Abschirmteils sowie keramisches Abschirmteil

Info

Publication number: DE102013106396A1
Application number: DE102013106396.9A
Authority: DE
Inventors: Gerd Beyerlein
Original assignee: ElringKlinger AG
Current assignee: ElringKlinger AG
Priority date: 2013-06-19
Filing date: 2013-06-19
Publication date: 2014-12-24
Also published as: WO2014202700A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein keramisches Abschirmteil (1) mit zumindest einer ersten keramischen Lage (2) und zumindest einer zweiten keramischen Lage (3), die eine keramische Zwischenlage (5) einschließen, wobei die keramischen Lagen (2, 3) und die Zwischenlage (5) Kammern (4) innerhalb des Abschirmteils (1) begrenzen. Ferner beschreibt die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen des keramischen Abschirmteils (1) mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen einer ersten keramischen Lage (2) im Grünzustand; b) Aufbringen einer Kammern (4) aufweisenden oder Kammern ausbildenden keramischen Zwischenlage (5) im Grünzustand auf eine freie Seite (6) der ersten keramischen Lage (2); c) Bereitstellen einer zweiten keramischen Lage (3) im Grünzustand und Aufbringen der zweiten keramischen Lage (3) auf die Zwischenlage (5); d) Brennen des Verbundes aus erster Lage (2), Zwischenlage (5) und zweiter Lage (3).

Description

Die Erfindung betrifft ein keramisches Abschirmteil gemäß Anspruch 11 und ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Abschirmteils gemäß Anspruch 1.
Abschirmteile werden im Umfeld von Quellen thermischer Energie wie Verbrennungsmotoren, Turboladersystemen oder Abgasführungen eingesetzt. Der aktuelle Stand der Technik beschreibt mehrlagig ausgeführte Abschirmteile, wobei die beiden Decklagen aus Metall oder Blech ausgeführt sind. Die zwischen den metallischen Decklagen angebrachte Zwischenlage umfasst einen oder mehrere Dämmstoffe, die einen Transport der Wärme in Richtung hitzeempfindlicher Bauteile verhindert, so dass die Wärme im Abschirmverbund verbleibt. Je nachdem welche Temperatur die abzuschirmende Baueinheit aufweist, werden wahlweise technische Papiere, Glas- oder Silikatfaservliese als dämmende Zwischenlage eingesetzt. Herkömmliche Abschirmteile sind für den Einsatz bei sehr hohen Temperaturen, die beispielsweise in modernen Turboladersystemen herrschen, entweder als Direktabschirmung mit einem dämmenden Silikatfaservliesstoff oder als mehrlagiges Abschirmteil mit metallischen Decklagen ausgeführt, wobei die mehrlagigen Abschirmteilen mit einigem Abstand zur Hitzequelle angebracht werden müssen. Daher sind diese Abschirmteile von Nachteil, wenn die konstruktiv vorgegebenen Bauräume zu klein sind, um das Abschirmteil in einer vernünftigen Entfernung zur Hitzequelle anzuordnen. Direktabschirmungen haben den Nachteil, dass es bei deren Einsatz zu Hitzestaus oder einem stark erhöhten Verschleiß im Direktabschirmteil kommen kann. Außerdem besteht die Gefahr, dass diese Bauteile überhitzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Abschirmteil aus Keramik mit verbesserten Abschirmeigenschaften und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Abschirmteils anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Abschirmteil nach Anspruch 11 bzw. durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen und Ausgestaltungen sind der Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abschirmteils umfasst zumindest eine erste Lage und zumindest eine zweite Lage. Erfindungsgemäß wird auf den Einsatz von metallischen Lagen als Decklagen verzichtet. Vorteilhafterweise besteht die Zwischenlage ebenfalls aus Keramik. Zur Verbesserung der Wärmeabschirmeigenschaften sind innerhalb des erfindungsgemäßen Abschirmteils aus Keramik Kammern vorgesehen, die von den beiden keramischen Decklagen und der Stege bildenden, keramischen Zwischenlage begrenzt sind.
In einer Ausführungsform zur weiteren Optimierung des erfindungsgemäßen keramischen Abschirmteils ist vorgesehen, dass die Kammern mit einem Füllstoff versehen sind. Vorteilhafterweise ist dieser Füllstoff ein Aerogel, ein Granulat oder ein Pulver mit hoher Hitzebeständigkeit und optimalen Wärmeisolationseigenschaften.
Der erfinderische Gedanke bei dem keramischen Abschirmteil erstreckt sich darauf, dass die erste Lage, die Zwischenlage und die zweite Lage nach dem Brennen einstückig fest miteinander verbunden sind, so dass eine stabile und kompakte Gestalt für das Abschirmteil gegeben ist und dieses nach dem Brennen verbaut oder eingebaut werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen dieses keramischen Abschirmteils umfasst folgende Schritte:
Eine erste keramische Lage wird im Grünzustand bereitgestellt. Anschließend wird die Zwischenlage auf einer freien Seite der ersten keramischen Lage generiert. Vorteilhafterweise erfolgt die Ausbildung der Zwischenlage ebenfalls im Grünzustand. Gemäß dem erfinderischen Gedanken bildet die Zwischenschicht auf der ersten Lage Kammern oder Becken aus, indem die Zwischenschicht Stege in Längsrichtung der ersten Lage und auch Stege in Querrichtung der ersten Lage bildet. Der abschließende Bearbeitungsschritt für das Abschirmteil im Grünzustand besteht darin, eine zweite keramische Lage im Grünzustand auf die durch die Zwischenschicht gebildete Becken aufgelegt wird, so dass die Becken nun zu geschlossenen Kammern werden. Zum Schluss wird der Verbund aus erster Lage, Zwischenlage und zweiter Lage zum keramischen Abschirmteil gebrannt.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet, dass die erste und die zweite Lage vor dem Brennen aus präkeramischem Papier gebildet sind. Vorteilhaft dabei ist, dass präkeramisches Papier vor dem Sinterprozess flexibel bearbeitbar ist, so dass es einfach ist eine Zwischenlage aus Streifen präkeramischen Papiers gitterartig oder wabenartig vorkonfektioniert auszubilden.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass vor dem Aufbringen der zweiten Lage die Waben bzw. die Kammern der Zwischenlage mit zumindest einem Füllstoff beschickt werden, so dass der durch die keramischen Decklagen vorgegebene Effekt der Wärmeisolation zusätzlich noch verbessert wird.
Die Erfindung sieht vor, dass ein Konturbeschnitt der ersten und zweiten Lage sowie der Zwischenlage im Grünzustand erfolgt. Außerdem ist zur Formgebung der keramischen Lagen vorgesehen, dass diese in ein eine insbesondere offene Kavität aufweisendes Formwerkzeug eingelegt werden. Vorteilhafterweise kann das Formwerkzeug als Stützstruktur für das keramische Abschirmteil beim Brennen verwendet wird.
Günstig ist es, wenn die erste oder zweite Lage aus zwei oder mehreren Schichten unterschiedlicher keramischer Werkstoffe im Grünzustand laminiert werden oder die erste oder zweite Lage zumindest partiell beschichtet werden, so dass ein zusätzlicher Abschirmeffekt erzielt werden kann. Auf diese Weise können funktionelle Unterschiede in die Decklagen integriert werden bzw. eine Decklage fein graduiert exakt auf die Applikation und deren spezifische Anforderung abgestimmt werden. Eine Graduierung der Decklagen der Abschirmteile kann auch durch den sortenreinen Aufbau eines Kerns und nachfolgender Beschichtung, beispielsweise im Tauchbeschichtungsverfahren erfolgen und kostengünstig in Serienprozessen dargestellt werden
Vorteilhafterweise kann die Verbindung der ersten Lage und der zweiten Lage mit der Zwischenlage im Grünzustand mittels eines Klebstoffs oder eines anderen geeigneten Bindemittels erfolgt.
Vorteilhaft bei der vorliegenden Erfindung ist, dass präkeramische Papiere im nicht gesinterten Zustand derart geformt und bearbeitet werden können, dass eine Oberlage und eine Unterlage zu einem Abschirmteil kombiniert werden können. Vorteilhafterweise bildet die Verwendung einer keramischen Stützstruktur Hohlräume, die mit einem sehr niedrig-wärmeleitenden Füllstoff beschickt werden können. Außerdem ist es von Vorteil, dass die Stützstruktur eine große Oberfläche aufweist, so dass der Isolationseffekt verstärkt ist. Diese im Inneren des erfindungsgemäßen Abschirmteils angeordnete Stützstruktur zeigt idealerweise eine sehr niedrige thermische Wärmeleitung bei einer hohen mechanischen Belastbarkeit.
Erfindungsgemäße Abschirmteile können in einem sehr hohen Temperaturbereich eingesetzt werden und bieten auch bei sehr geringen Bauräumen noch gute Abschirmleistungen. Durch die Darstellung einer Hohlstruktur mit Aerogelfüllung können außerdem Leichtbauaspekte verfolgt werden. Die Fertigung durch Zuhilfenahme präkeramischer Papiere kann mit konventionellen Werkzeugen und Methoden erfolgen und auch in einem großen industriellen Rahmen beispielsweise als Serienprozess dargestellt werden. Eine funktionsgraduierte Darstellung einzelner Decklagen oder gesamter Abschirmteile bzw. Abschirmsysteme erweitert das mögliche Anwendungsspektrum der keramischen Abschirmteile und kann insbesondere einen Kosten-Nutzen-Vorteil bringen, wenn einzelne Decklagen aus kostengünstigen Kernlagen mit dünnen, effizienteren und teureren Werkstoffen kombiniert werden, entweder durch Laminierung oder in nachgeschalteten Beschichtungsverfahren.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielhaft beschrieben.
Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht (von schräg oben) einer Decklage (erste Lage oder zweite Lage) eines erfindungsgemäßen Abschirmteils aus Keramik;
2 eine perspektivische Ansicht (von schräg oben) einer ersten Lage mit einer strukturbildenden Zwischenlage eines erfindungsgemäßen Abschirmteils aus Keramik;
3 eine vergrößerte Ansicht eines Randbereichs zweier Keramiklagen vor dem Brennvorgang und
4 eine vergrößerte Ansicht eines Randbereichs zweier Keramiklagen nach dem Brennvorgang.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht (von schräg oben) einer Decklage (erste keramische Lage 2 oder zweite keramische Lage 3) eines erfindungsgemäßen Abschirmteils 1 aus Keramik. Das erfindungsgemäße keramische Abschirmteil 1 besteht aus der ersten keramischen Lage 2 und der zweiten keramischen Lage 3, wobei zwischen diesen beiden Lagen 2, 3 eine keramische Zwischenlage 5 vorgesehen ist. Die Zwischenlage 5 besteht ebenfalls aus Keramik, wobei sie innerhalb des erfindungsgemäßen Abschirmteils 1 Kammern 4 bildet. Die in 1 gezeigte erste keramische Lage 2 oder zweite keramische Lage 3 liegt hier im Grünzustand vor, d. h. die endgültige Form der ersten keramischen Lage 2 im Verbund mit der zweiten keramischen Lage 3 und der Zwischenlage 5 ergibt sich erst nach einem Brennvorgang.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht (von schräg oben) einer ersten keramischen Lage 2 mit einer strukturbildenden keramischen Zwischenlage 5 eines erfindungsgemäßen Abschirmteils 1 aus Keramik. Gezeigt ist die erste keramische Lage 2 des erfindungsgemäßen Abschirmteils 1, wobei auf einer freien Seite 6 der ersten keramischen Lage 2 im Grünzustand eine Struktur ausgebildet ist. Die Struktur, die die Zwischenlage 5 bildet, wird ebenfalls im Grünzustand hergestellt. Die Kammern 4 innerhalb der Zwischenlage 5 sind mit einem Füllstoff 8 versehen. Der Füllstoff 8 kann ein Aerogel, ein Granulat oder ein Pulver sein. Nach dem Brennen sind die erste keramische Lage 2, die Zwischenlage 5 und die zweite keramische Lage 3 einstückig miteinander verbunden.
3 zeigt die erste keramische Lage 2 und die zweite keramische Lage 3 im Querschnitt in vergrößerter Darstellung, wobei deutlich ein Übergang bzw. eine Überlappung 10 zwischen erster Lage 2 und zweiter Lage 3 im Grünzustand zu sehen ist.
4 zeigt die erste keramische Lage 2 und die zweite keramische Lage 3 nach dem Brennen. Es ist zu sehen, dass der Übergang 10a zwischen den beiden Lagen entfällt und die beiden Lagen am Rand geschlossen sind, d. h. miteinander verbacken sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines keramischen Abschirmteils 1 weist folgende Schritte auf:

– Bereitstellen einer ersten keramischen Lage 2 im Grünzustand;
– Anschließend wird eine Zwischenlage 5 beispielsweise aus keramischem Papier aufgebracht. Die Zwischenlage 5 weist Kammern 4 auf, welche aus Streifen 7 gebildet werden. Die aus den Kammern 4 und den Streifen 7 gebildete Zwischenlage 5 kann auch als Stützstruktur bezeichnet werden. In einer Ausführungsform der Erfindung kann die Stützstruktur sortengleich ausgeführt werden, um einerseits eine gute Verbindung zur ersten keramischen Lage 2 und zur zweiten keramischen Lage 3 sicher zustellen und außerdem Spannungen im hitzebelasteten Bauteil durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten zu vermeiden. In diesem Zusammenhang ist es günstig als Stützstruktur eine Honigwabenstruktur anzuwenden, die sowohl eine optimale mechanische Stabilität aufweist als auch Anforderungen im Hinblick auf Leichtbauweise erfüllen kann.
– Im dritten Schritt erfolgt das Bereitstellen einer zweiten keramischen Lage 3 im Grünzustand, wobei die zweite keramische Lage 3 auf die Zwischenlage 5 aufgebracht wird, so dass die Kammern 4 dann geschlossen sind. Vor dem Aufbringen der zweiten keramischen Lage 3 auf die Zwischenlage 5 können die Kammern 4 noch mit einem Füllmittel 8 gefüllt werden.
– Der abschließende Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass der Verbund aus erster keramischer Lage 2, Zwischenlage 5 und zweiter keramischer Lage 3 gebrannt wird, wodurch das erfindungsgemäße keramische Abschirmteil 1 seine endgültige Gestalt bekommt.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass sowohl die erste keramische Lage 2, als auch die zweite keramische Lage 3 vor dem Brennen aus präkeramischen Papier gebildet ist. Die Zwischenlage 5 kann ebenfalls aus Streifen 7 präkeramischen Papiers bestehen, wobei diese Papierstreifen dann gitterartig oder wabenartig vorkonfektioniert angelegt werden, so dass sich geschlossene Kammern 4 bilden, wenn die zweite keramische Lage 3 auf die Zwischenlage 5 aufgebracht wird.
Vor dem Aufbringen der zweiten keramischen Lage 3 auf die Kammern 4 der Zwischenlage 5 können diese mit einem Füllstoff 8 beschickt werden. Der Füllstoff 8, mit welchem die Kammern beschickt werden, können Aerogle sein oder Granulate oder auch Pulver aus Aerogelen.
Ein Konturbeschnitt 9 der ersten keramischen Lage 2 und der zweiten keramischen Lage 3 sowie der strukturbildenden Elemente der Zwischenlage 5 erfolgt im Grünzustand noch vor dem Brennen. Für die Formgebung der ersten keramischen Lage 2, der zweiten keramischen Lage 3 und der Zwischenlage 5, die eine Verbundlage bilden, werden diese in eine offene Kavität eines Formwerkzeugs eingelegt und dann dem Brennprozess zugeführt. Das Formwerkzeug mit der Kavität kann als Stützstruktur für das erfindungsgemäße keramische Abschirmteil 1 verwendet werden.
Des Weiteren ist vorgesehen, dass die erste keramische Lage 2 und/oder die zweite keramische Lage 3 aus zwei oder mehreren Schichten unterschiedlicher keramischer Werkstoffe in Grünzustand laminiert werden können. Außerdem kann die erste keramische Lage 2 und/oder die zweite keramische Lage 3 zumindest partiell beschichtet werden. Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Verbindung der beiden keramischen Lagen 2, 3 mit der Zwischenschicht 5 im Grünzustand erfolgt, wobei entweder ein Klebstoff oder ein anderes geeignetes Bindemittel eingesetzt wird.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, eine hinsichtlich des Werkstoffes erste keramische Lage 2 und zweite keramische Lage 3 bewusst unterschiedlich zu wählen, oder verschiedene einzelne Schichten unterschiedlich aufgebauten präkeramischen Papiers zu einer Decklage 2 oder 3 zu laminieren.
Bezugszeichenliste

1: keramisches Abschirmteil
2: erste keramische Lage
3: zweite keramische Lage
4: Kammer
5: keramische Zwischenlage
6: freie Seite
7: Streifen
8: Füllstoff
9: Konturbeschnitt
10: Überlappung im Grünzustand
10a: Überlappung im gebrannten Zustand

Claims

Verfahren zum Herstellen eines keramischen Abschirmteils aufweisend die Schritte: a) Bereitstellen einer ersten keramischen Lage (2) im Grünzustand; b) Aufbringen einer Kammern (4) aufweisenden oder Kammern (4) ausbildenden keramischen Zwischenlage (5) im Grünzustand auf eine freie Seite (6) der ersten keramischen Lage (2); c) Bereitstellen einer zweiten keramischen Lage (3) im Grünzustand und Aufbringen der zweiten keramischen Lage (3) auf die Zwischenlage (5); d) Brennen des Verbundes aus erster Lage (2), Zwischenlage (5) und zweiter Lage (3).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lage (2) und die zweite Lage (3) vor dem Brennen aus präkeramischem Papier gebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenlage (5) aus Streifen (7) präkeramischen Papiers gitterartig oder wabenartig vorkonfektioniert ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der zweiten Lage (3) die Kammern (4) der Zwischenlage mit zumindest einem Füllstoff (8) beschickt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff (8) aus Aerogelen oder Granulaten oder Pulver aus Aerogelen gebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Konturbeschnitt (9) der ersten Lage (2) und der zweiten Lage (3) sowie der Zwischenlage (5) im Grünzustand erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Formgebung der Lagen (2, 3) diese in ein eine insbesondere offene Kavität aufweisendes Formwerkzeug eingelegt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug als Stützstruktur für das keramische Abschirmteil (1) beim Brennen verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lage (2) oder die zweite Lage (3) aus zwei oder mehreren Schichten unterschiedlicher keramischer Werkstoffe im Grünzustand laminiert werden oder die erste Lage (2) oder die zweite Lage (3) zumindest partiell beschichtet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der Lagen (2, 3) mit der Zwischenlage (5) im Grünzustand mittels eines Klebstoffs oder eines anderen geeigneten Bindemittels erfolgt.
Keramisches Abschirmteil (1), insbesondere hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, aufweisen zumindest eine erste keramische Lage (2), zumindest eine zweite keramische Lage (3) und eine keramische Zwischenlage (5), wobei die keramischen Lagen (2, 3) und die Zwischenlage (5) Kammern (4) innerhalb des Abschirmteils (1) begrenzen.
Keramisches Abschirmteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammern (4) mit einem Füllstoff (8) versehen sind.
Keramisches Abschirmteil nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff (8) aus Aerogelen oder Granulaten oder Pulver aus Aerogelen gebildet ist.
Keramisches Abschirmteil nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lage (2), die Zwischenlage (5) und die zweite Lage (3) nach dem Brennen einstückig miteinander verbunden sind.