DE10311174A1

DE10311174A1 - Verfahren zur Herstellung einer strukturierten Metallfolie

Info

Publication number: DE10311174A1
Application number: DE10311174A
Authority: DE
Inventors: Rudi Kolb
Original assignee: Unimet GmbH
Current assignee: Unimet GmbH
Priority date: 2003-03-12
Filing date: 2003-03-12
Publication date: 2004-09-23
Also published as: ATE332770T1; DE50304208D1; EP1457275B1; EP1457275A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer strukturierten Metallfolie, insbesondere als Katalysator-Trägerkörper, welches die Herstellung sehr dünner, strukturierter Metallfolien mit großer Oberfläche unter Einhaltung hoher Qualitätsstandards erlaubt, wobei dieses Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Metallfolie in einem Folgeverbundwerkzeug in einem Bearbeitungsvorgang mit einer ersten und wenigstens einer zweiten Struktur versehen wird, wobei die zweite Struktur die erstes Struktur überlagert, und bei dem im Übergangsbereich zwischen erster und wenigstens zweiter Struktur Metallfolienmaterial entfernt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer strukturierten Metallfolie, die insbesondere als Katalysator-Trägerkörper dient.
Solche strukturierten Metallfolien werden zu langen Bändern gefaltet und zu Katalysatorwabenkörpern mit spezieller Geometrie gewickelt. Die Wabenkörper weisen dabei eine Vielzahl von Wabenzellen auf, an deren Wandungen der katalytische Prozeß an einer katalytisch aktiven Beschichtung abläuft. Auf diese Weise aufgebaute Katalysatoren werden in erster Linie in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um die durch zunehmende Mobilität verursachte Luftbelastung zu reduzieren.
Metall ist dabei, neben Keramik, aufgrund seiner vorteilhaften physikalisch-technischen Eigenschaften wie hoher mechanischer und thermischer Stabilität, ein idealer Trägerwerkstoff für die katalytisch aktive Beschichtung.
Diese hohe Stabilität erlaubt extrem dünne Wandstärken der Wabenzellen, so dass in einem geringen Bauvolumen eine Vielzahl von Wabenzellen realisierbar sind, die zusätzlich noch eine geringe Gesamtmasse aufweisen. Die Vielzahl der Wabenzellen ermöglicht eine hohe Konversionsrate, die aufgrund der geringen Masse des Wabenkörpers bereits nach kurzer Aufwärmzeit erreicht wird.
Da die Konversionsrate bei gegebenem Volumenstrom proportional zur Katalysatoroberfläche ist, führt eine Vergrößerung der Oberfläche zu einer höheren Konversionsrate. Es ist daher seit langem ein Anliegen der Katalysatorentwickler, die Katalysatoroberfläche bei gleichzeitiger Reduzierung des Bauvolumens und der Masse zu vergrößern.
Dazu wurden in der Vergangenheit Metallbänder mit Wellenstruktur eingesetzt. Ein Verfahren zur Herstellung eines Wellbleches wird in der DE 199 57 585 A1 beschrieben. Dabei wird ein Blech zwischen zwei kämmende Wellwalzen hindurch geführt, so dass durch Biege- und Ziehvorgänge zwischen den ein Profilsegment bildenden ineinandergreifenden Wellen eine Wellstruktur auf dem Blech entsteht.
Nachteilig an diesem Stand der Technik ist, dass die kämmenden Walzen bei zunehmend geringeren Materialstärken des Metallbleches und zunehmend geringeren Profiltiefen der Wellenstruktur die benötigten Fertigungstoleranzen nicht einhalten können. Es kommt zur Gratbildung, die sich sehr störend auf die galvanische Abscheidung der katalytisch aktiven Beschichtung auswirkt, so dass die Konversionsfähigkeit des Katalysators herabgesetzt, anstatt erhöht wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, ein Verfahren anzugeben, dass die Herstellung sehr dünner, strukturierter Metallfolien mit großer Oberfläche unter Einhaltung hoher Qualitätsstandards erlaubt.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine Metallfolie in einem Folgeverbundwerkzeug in einem Bearbeitungsvorgang mit einer ersten und wenigstens einer zweiten Struktur versehen wird, wobei die zweite Struktur die erste Struktur überlagert, und bei dem im Übergangsbereich zwischen erster und wenigstens zweiter Struktur Metallfolienmaterial entfernt wird.
Dieses erfindungsgemäße Verfahren erlaubt mit Vorteil die Herstellung extrem dünner, strukturierter Metallbänder in einem Bearbeitungsschritt in einem einzigen Werkzeug bei gleichzeitiger Einhaltung geringster Fertigungstoleranzen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist wirtschaftlicher als das im Stand der Technik beschriebene, da es an einer Maschine mit einem Werkzeug durchgeführt werden kann, da Folgeverbundwerkzeuge mit einem Bearbeitungsschritt Stanzen, Einbringen und/oder Biegen können. Das erfindungsgemäße Verfahren verringert die Bildung von Graten an den Werkstücken, so dass eine vollständige katalytisch wirksame Oberfläche auf dem Metallträger abgeschieden werden kann. Der erfindungsgemäß vorgesehene Arbeitsschritt der Materialentfernung stellt gleichzeitig sicher, dass ein aus dem Material hergestellter Katalysator eine deutlich höhere Standzeit im Alltagsbetrieb aufweist, die durch die Materialentfernung Spannungen innerhalb der Metallfolie abgebaut, und Kerbwirkung an den Übergangsbereichen zwischen erster und zweiter Struktur vermieden werden.
Vorteilhafterweise sieht das Verfahren vor, dass Arbeitsschritte des Bearbeitungsvorganges zeitlich versetzt erfolgen oder einzelne Arbeitsschritte des Bearbeitungsvorganges zeitlich und räumlich versetzt erfolgen. Der zeitliche Versatz der Arbeitsschritte ermöglicht ein Nachfließen des Materials während der aufeinanderfolgenden Formungsvorgänge, so dass Mikrorisse oder Strukturbrüche vermieden werden. In Abhängigkeit von dem zu verformenden Material kann auch eine räumliche Variation der Arbeitsschritte innerhalb des Folgeverbundwerkzeuges erfolgen, so dass auch besonders empfindliche Metallfolien mit sehr gutem Ergebnis verarbeitet werden können.
Dadurch, dass das Folgeverbundwerkzeug die erste und zweite Struktur vorzugsweise als Wellenstruktur in die Metallfolie einbringt, wird die Oberfläche ohne für die Galvanisierung nachteiligen Ecken und Kanten deutlich vergrößert. Ecken und Kanten führen zusätzlich zur Bildung von Totvolumina, die die Konversionsrate des Katalysators herabsetzen und müssen daher vermieden werden. Die Ausbildung der Struktur als Wellenstruktur hat weiterhin den besonderen Vorteil, dass zwar die Oberfläche, nicht jedoch der Strömungswiderstand über die Maßen vergrößert wird. Ein zu behandelndes Abgas kann daher ohne Leistungsverlust gereinigt werden.
Zur Oberflächenvergrößerung ist vorgesehen, dass die zweite Struktur in die Wellenkämme und/oder in die Wellentäler der ersten Struktur eingebracht wird und wobei die Wellen der zweiten Struktur vorzugsweise eine höhere Frequenz und eine geringere Amplitude als die Wellen der ersten Struktur aufweisen. Mit besonderem Vorteil führt dieser Bearbeitungsschritt zu einer optimalen Vergrößerung der Oberfläche.
Weiterhin ist vorgesehen, dass Folienmaterial durch Ausstanzen, vorzugsweise in Langlochform, im Übergangsbereich zwischen erster und zweiter Struktur entfernt wird. Die Stanze in Form eines Langloches ist besonders vorteilhaft und einfach zu realisieren, die Erfindung umfasst jedoch auch andere Formen wie Knochen-, Kreis- oder Doppellochform.
Ein Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass Metallfolie mit einer Dicke von 0,02 bis 0,12 mm, vorzugsweise mit einer Dicke von 0,04 mm, und mit einer Folienbreite von 50 bis 180 mm verarbeitet wird.
Weiterhin ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Metallfolie durch mindestens eine Einzugsvorrichtung durch das Folgeverbundwerkzeug geführt wird. Die Verwendung von mindestens einer Einzugsvorrichtung, vorzugsweise zwei Einzugsvorrichtungen zu Beginn und am Ende des Folgeverbundwerkzeuges ermöglicht einen optimalen Verarbeitungsablauf.
Im folgenden werden anhand der Figuren der Zeichnung weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung erläutert. Im Einzelnen stellen dabei die
1: ein Ablaufschema eines Bearbeitungsvorganges,
2: eine Prinzipskizze eines Folgeverbundwerkzeuges
3: eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäß erzeugten gewellten Metallfolie und
4: einen Querschnitt durch dieselbe.
Wie in 1 dargestellt, beginnt ein Verfahrensdurchgang mit dem Transport 1 der zu bearbeitenden Metallfolie in das Folgeverbundwerkzeug, dass aus einem Pressenbett 2 und einem durch eine Exzenterscheibe 3 angetriebenen beweglichen Bär 4 besteht, wobei der Bär 4 das Werkzeug 5 trägt, in dem sich ein oder mehrere Stempel 6, 6' zur eigentlichen Materialbearbeitung befinden. Dieser Aufbau des Folgeverbundwerkzeuges ist der 2 zu entnehmen. Der Zeitpunkt der Materialbearbeitung in einem Bearbeitungsvorgang wird durch die Länge der Stempel gesteuert: Der längste Stempel 6 trifft zuerst auf die Metallfolie und arretiert diese 7. Die weitere Abwärtsbewegung des Bären 4 bringt die nächstlängeren Stempel 6' in Kontakt mit der Metallfolie. Diese bringen nun die Primärstruktur 8 in das Material ein. Die eingebrachte Zone der Primärstruktur ist dabei räumlich mindestens um die Fläche des arretierenden Stempels versetzt. Im nächsten Arbeitsschritt bringt der jetzt nächstlängste Stempel die Sekundärstruktur 9 in die Metallfolie ein. Ab diesem Zeitpunkt ist der Bär 4 am tiefsten Punkt seiner Vertikalbewegung angelangt. Damit ist das Werkzeug 5 zusammengefahren, weiteres Material wird nicht mehr verformt. Der folgenden Arbeitsschritt 10 führt anschließend die Stanzung in dem Bereich zwischen Primär- und Sekundärstruktur aus. Das durch dieses Verfahren erzeugte wellige Metallband wird anschließend durch einen weiteren Materialeinzug 1 aus dem Folgeverbundwerkzeug gefördert und der weiteren Verarbeitung zugeführt. In dem geschilderten Bearbeitungsvorgang werden mindestens je eine vollständige, je nach Materialbeschaffenheit auch zwei oder mehr vollständige Struktureinheiten in die Metallfolie eingebracht.
Anstelle des unmittelbaren Aufeinanderfolgens der zwei Präge-Arbeitsschritte 8 und 9 ist in Abhängigkeit von den Werkstückeigenschaften erfindungsgemäß auch vorgesehen, dass die weitere Materialbearbeitung erst nach einem Transport des Werkstückes innerhalb des Werkzeuges an die Position eines zweiten Stempels erfolgt, der dann wie bereits geschildert, die zweite Einbringung 9 und anschließende Stanzung 10 vornimmt.
Die auf diese Weise erzeugte Primärstruktur ist eine Welle von 2,5 mm Länge und 1,6 mm Höhe. Die wellenförmige Sekundärstruktur weist eine Länge von 1 mm und eine Höhe von ~ 0,5 mm auf. 4 zeigt einen Querschnitt durch eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte gewellte Metallfolie, wobei die Schnittebene in der in 3 eingezeichneten Ebene I-I liegt.

1: Transport
2: Pressenbett
3: Exzenterscheibe
4: Bär
5: Werkzeug
6: Stempel
7: Arretierung
8: Prägung Primärstruktur
9: Prägung Sekundärstruktur
10: Materialaussparung

Claims

Verfahren zur Herstellung einer strukturierten Metallfolie, insbesondere als Katalysator-Trägerkörper, dadurch gekennzeichnet, dass eine Metallfolie in einem Folgeverbundwerkzeug in einem Bearbeitungsvorgang mit einer ersten und wenigstens einer zweiten Struktur versehen wird (8, 9), wobei die zweite Struktur die erste Struktur überlagert, und bei dem im Übergangsbereich zwischen erster und wenigstens zweiter Struktur Metallfolienmaterial entfernt (10) wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Arbeitsschritte des Bearbeitungsvorganges zeitlich versetzt erfolgen oder einzelne Arbeitsschritte des Bearbeitungsvorganges zeitlich und räumlich versetzt erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Folgeverbundwerkzeug die erste und zweite Struktur vorzugsweise als Wellenstruktur in die Metallfolie einbringt.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Struktur in die Wellenkämme und/oder in die Wellentäler der ersten Struktur eingebracht (9) wird und wobei die Wellen der zweiten Struktur vorzugsweise eine höhere Frequenz und eine geringere Amplitude als die Wellen der ersten Struktur aufweisen.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Folienmaterial durch Ausstanzen, vorzugsweise in Langlochform, im Übergangsbereich zwischen erster und zweiter Struktur entfernt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Metallfolie mit einer Dicke von 0,02 bis 0,12 mm, vorzugsweise mit einer Dicke von 0,04 mm, und mit einer Folienbreite von 50 bis 180 mm verarbeitet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallfolie durch mindestens eine Einzugsvorrichtung durch das Folgeverbundwerkzeug geführt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bearbeitungsvorgang eine, vorzugsweise zwei Wellenstrukturen in die Metallfolie eingebracht werden.