HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft einen Keramikwaben-Strukturkörper mit einer Vielzahl
länglicher offener Zellen, die durch Zellwände definiert sind.
2. Beschreibung des Stands der Technik
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Filter mit einem Keramikwaben-Strukturkörper werden schon seit je her als
Katalysatorsubstrat oder Filter für feine Partikel zur Reinigung von Abgasen von
Verbrennungsmotoren oder als Filter zur Reinigung oder Desodorierung von
Verbrennungsgasen von Erdöl oder verschiedenen als Treibstoff verwendeten
Gasen verwendet. Fig. 4 ist eine Schnittansicht eines herkömmlichen
Keramikwaben-Strukturkörpers senkrecht zur Längsrichtung der offenen Zellen. Im
Körper von Fig. 4 umfasst der säulenförmige Keramikwaben-Strukturkörper 51, der
aus einem Material wie beispielsweise Cordierit oder ähnlichem hergestellt ist, eine
Vielzahl von offenen Zellen 53, die durch Zellwände 52 definiert sind und sich
parallel zueinander erstrecken. Wie der vergrößerte Teil der offenen Zelten 53 in Fig.
5 zeigt, haben in einem herkömmlichen Keramikwaben-Strukturkörper 51 häufig alle
offenen Zellen 53 auf einer Oberfläche, die senkrecht zur Längsrichtung der offenen
Zellen 53 steht, eine rechteckige Form, wobei jede der Ecken 53a eine
rechtwinkelige Form aufweist, welche von den Oberflächen der kreuzenden
Zellwände 52 gebildet wird.
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Beim Keramikwaben-Strukturkörper 51, der insbesondere als Katalysatorsubstrat zur
Reinigung von Abgasen eines Verbrennungsmotors verwendet wird, ist es seit
kurzem erforderlich, dünnere Zelltrennwände 52 und eine größere Zahl an offenen
Zellen 53 bereitzustellen, um Anforderungen wie beispielsweise höhere
Reinigungseffizienz der Abgase, niedrigerer Druckverlust, Einsatz bei höheren Temperaturen
und ähnliches zu erfüllen. Keramikwaben-Strukturkörper mit dünneren
Zelltrennwänden 52 gemäß der oben erwähnten Anforderungen bringen jedoch
Probleme mit sich, so dass ein Strukturkörper aufgrund der dünneren Zelltrennwand
52 häufig zusammenbricht und die mechanische Festigkeit abnimmt. Außerdem ist
es problematisch, dass die Herstellung einer Vorrichtung bzw. Schablone (Form), die
zur Herstellung des Strukturkörpers notwendig ist, sehr schwierig ist, dass die Zahl
der Herstellungsschritte hoch ist, dass es schwierig ist, eine Vorrichtung bzw.
Schablore mit hoher Genauigkeit herzustellen, dass die Kosten und Lieferzeit
steigen und ähnliches. Des Weiteren ist es bei der Ausformung des Strukturkörpers
wichtig, das Versagen und die Verformung während der Formung zu verhindern.
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Zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit des Keramikwaben-Strukturkörpers
51 sind bisher die Verfahren bekannt, die in JP-A-54-110189 und JP-A-54-150406
offenbart wurden. Gemäß dieser Verfahren wird die Dicke der Zellwand, die sich auf
der äußeren Umfangsseite des Keramikwaben-Strukturkörpers 51 befindet, dicker
gestaltet als jene in der Mitte, was jedoch zu dem Problem führt, dass durch die
Verdickung der Zellwand 52 der Wirkbereich der offenen Zellen 53 verkleinert und
dass Gewicht des Strukturkörpers erhöht wird, wodurch die
Wärmeschockbeständigkeit verringert wird.
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Außerdem wurden in JP-A-49-113789 und JP-A-56-147637 Verfahren offenbart, die
sich auf die vier Eckabschnitte 53a der einzelnen offenen Zellen 53 im
Keramikwaben-Strukturkörper 51 beziehen. Gemäß dieser Verfahren wird auf jedem
Eckabschnitt 53a aller offenen Zellen 53 im Keramikwaben-Strukturkörper 51 ein
runder oder gerader, vergrößerter Abschnitt oder Abrundungsabschnitt angeordnet.
In diesem Fall tritt jedoch das Problem auf, dass die Herstellung einer
Formungsvorrichtung zur Herstellung des Keramikwaben-Strukturkörpers 51 mit
dünneren Zellwänden 52 schwierig ist. Dieses Problem wird deutlich, wenn die Dicke
der Zellwand kleiner (nicht mehr als 0,15 mm) ist. Des Weiteren tritt das Problem
auf, dass das Risiko einer Verringerung der mechanischen Festigkeit des
Strukturkörpers oder eines Versagens bei der Ausformung erhöht wird.
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GB-A-2071640 offenbart einen Keramikwaben-Körper, in dem Zellen nahe dem
Außenrand mit einem Keramik- oder einem anderen Verstärkungsmaterial gefüllt
werden. EP-A-241269 beschreibt Keramikwaben-Körper, in denen die Zellen im
mittleren Hauptteil rechteckig sind und Zellenwände nahe dem Rand in schrägen
Winkeln zu den Wänden der rechteckigen Zellen angeordnet sind, um die Festigkeit
zu erhöhen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Ein Ziel der Erfindung ist also, die Lösung der oben erwähnten Probleme und die
Bereitstellung eines Keramikwaben-Strukturkörpers, der es ermöglicht, sogar bei
Verdünnung der Zellwände ausreichend mechanische Festigkeit zu erzielen und das
Problem der Herstellung einer Formungsvorrichtung oder ähnlichem zu vermindern.
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Gemäß der Erfindung wird ein in Anspruch 1 beschriebener Keramikwaben-
Strukturkörper bereitgestellt.
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In der Mittelzone, welche die Mitte des Körpers einschließt, weisen die Zellen keine
Verstärkungsabschnitte auf, d. h. die Zelltrennwände weisen bis zu dem Punkt, an
dem sie zusammentreffen, flache Oberflächen auf. Mit anderen Worten ist jede
Zelle, wie im Querschnitt senkrecht zur Zellenrichtung ersichtlich ist, nur durch
gerade Wandflächen definiert. Im Gegensatz dazu weisen die Ecken der Zellen in
der zweiten Zone Verstärkungsverdickungen der Wände auf. Wie im Querschnitt
ersichtlich ist, weist die erste Zone vorzugsweise in jede der beiden orthogonalen
Richtungen eine Breite auf, die zumindest 25%, noch bevorzugter zumindest 33%,
der gesamten Breite des Körpers ausmacht.
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Vorzugsweise ist der Verstärkungsabschnitt, der in jedem Eckabschnitt der offenen
Zellen im äußeren Bereich des Keramikwaben-Strukturkörpers gebildet wird, ein
runder oder gerader Abrundungsabschnitt, der die mechanische Festigkeit und
Formbeständigkeit des Keramikwaben-Strukturkörpers mit dünnen Zellwänden
erhöhen kann. Der Grund, warum jeder Eckabschnitt der offenen Zellen in der
zweiten Zone durch einen Verstärkungsabschnitt verstärkt wird, ist, dass bei der
Handhabung des Strukturkörpers oder bei seiner Verwendung als
Katalysatorsubstrat häufig Druckkraft von außen ausgeübt wird, welche zum Großteil
auf den äußeren Umfangsabschnitt des Keramikwaben-Strukturkörpers wirkt.
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Die zur Herstellung des Keramikwaben-Strukturkörpers verwendete
Formungsvorrichtung der oben beschriebenen Struktur wird hergestellt, indem den Zellwänden
entsprechende Abschnitte der Vorrichtung einer Funkenerosionsbearbeitung
unterzogen werden, Elektroden an verbundenen Punkten dieser Abschnitte plaziert
werden und dann unter gegebenen Bedingungen eine Elektrolysebearbeitung
durchgeführt wird, um Abschnitte zu formen, die den Verstärkungsabschnitten in den
Eckabschnitten der offenen Zellen, vorzugsweise den runden oder geraden
Abrundungsabschnitten, entsprechen. Wenn zur Ausformung der runden oder
geraden Abrundungsabschnitte viele Abschnitte notwendig sind, steigt die Zahl der
Herstellungsschritte und die Kosten und Lieferzeit nehmen zu. Bei der Erfindung ist
es nicht notwendig, die runden oder geraden Abrundungsabschnitte in jeder Ecke
aller offenen Zellen zu formen, die runden oder geraden Abrundungsabschnitte
werden nur in den Ecken der offenen Zeilen in der äußeren Zone ausgebildet, so
dass es möglich ist, die Zahl der Herstellungsschritte der Formungsvorrichtung zu
reduzieren und folglich die Kosten und Lieferzeit zu senken.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung wird in Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert, worin:
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Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsfarm des Keramikwaben-
Strukturkörpers gemäß der Erfindung ist;
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Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht eines Teils des in Fig. 1 dargestellten Keramikwaben-
Strukturkörpers ist;
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Fig. 3 eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des
Keramikwaben-Strukturkörpers gemäß der Erfindung ist;
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Fig. 4 eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform eines
herkömmlichen Keramikwaben-Strukturkörpers ist; und
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Fig. 5 eine vergrößerte Ansicht eines Teils des in Fig. 4 dargestellten Keramikwaben-
Strukturkörpers ist.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In Fig. 1 ist ein Schnitt durch eine erste Ausführungsform des Keramikwaben-
Strukturkörpers gemäß der Erfindung in eine Richtung senkrecht zur Längsrichtung
seiner offenen Zellen dargestellt. In der Ausführungsform von Fig. 1 umfasst ein
säulenförmiger Keramikwaben-Strukturkörper 1 aus einem Material wie
beispielsweise Cordierit oder ähnlichem eine Vielzahl von offenen Zellen 3, die durch
miteinander verbundene Wände oder Zellwände 2 definiert sind und sich parallel
zueinander erstrecken. Gemäß der Erfindung ist, in einer Ebene senkrecht zu den in
Fig. 1 dargestellten offenen Zellen 3, die Form der offenen Zellen 3 in einer ersten
Zone 4, welche die Mitte des Körpers einschließt, rechteckig, wie das auch in einer
herkömmlichen Struktur der Fall ist, während die offenen Zellen 3 in einer
ringförmigen zweiten Zone 5, die sich außerhalb der ersten Zone 4 befindet, eine
rechteckige Form aufweisen, die an jedem Eckabschnitt mit einem
Verstärkungsabschnitt, vorzugsweise mit einem runden oder geraden Abrundungsabschnitt,
ausgestattet ist.
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In Fig. 2 ist ein Teil der in Fig. 1 dargestellten zweiten Zone 5 vergrößert dargestellt,
der die Form des Verstärkungsabschnitts, der in den vier Eckabschnitten gemäß der
Erfindung ausgebildet wird, zeigt. Fig. 2a ist ein Beispiel einer runden Form, worin
die offene Zelle 3 in einer Ebene senkrecht zu den offenen Zellen eine rechteckige
Form aufweist und zugleich jeder der vier Eckabschnitte 3a als Verbindungspunkt
des Rechtecks eine runde Form mit einem Krümmungsradius R hat. Fig. 2b ist ein
Beispiel einer geraden Form, worin die offene Zelle 3 in einer Ebene senkrecht zu
den offenen Zellen eine rechteckige Form aufweist und jeder der vier Eckabschnitte
3a als Verbindungspunkt des Rechtecks mit einem geraden Verstärkungsabschnitt
mit einer Breite C verstärkt ist.
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In der Ausführungsform von Fig. 1 und 2 ist jeder der vier Eckabschnitte 3a der
offenen Zelle 3 mit einem Verstärkungsabschnitt, vorzugsweise einem runden oder
geraden Verstärkungsabschnitt, ausgestattet, so dass der
Keramikwaben-Strukturkörper mit dünnen Zellwänden 2 und ausreichend mechanischer Festigkeit leicht
ausgebildet werden kann. Außerdem ist der Bereich, in dem im Eckabschnitt 3a der
Verstärkungsabschnitt ausgebildet wird, auf die zweite Zone 5 begrenzt, die sich
außerhalb der ersten Zone befindet, so dass die Zahl der Herstellungsschritte für die
Haltevorrichtung, die zur Formung erforderlich ist, gesenkt werden kann und eine
Reduzierung der Herstellungskosten der Haltevorrichtung und der Lieferzeit erzielt
werden kann.
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Des Weiteren wirkt sich die runde oder gerade Form im Eckabschnitt 3a der offenen
Zelle 3 kaum auf den hydraulischen Radius der offenen Zelle 3 aus, so dass es
keinen Anstieg des Druckverlustes bei ihrer Verwendung gibt. Außerdem verkleinert
die runde oder gerade Form im Eckabschnitt 3a der offenen Zelle 3 einen
wirkungslosen Abschnitt des Eckabschnitts 3a, so dass die Menge des teuren
Katalysators, der von der Oberfläche der Zellenwand getragen wird, verringert
werden kann, wodurch die Kosten des Endprodukts gesenkt werden können.
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Fig. 3 ist eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des
Keramikwaben-Strukturkörpers gemäß der Erfindung in einer Ebene senkrecht zu
der offenen Zellen 3, ähnlich wie in Fig. 1. In der Ausführungsform von Fig. 3 ist die
zweite Zone 5 in eine innere und äußere Teilzonen 5-1 und 5-2 unterteilt, welche die
Form von konzentrischen Kreisen aufweisen, um die Größe der runden oder
geraden Form in den Eckabschnitten 3a der offenen Zelle 3, die in jeder der
Teilzonen 5-1 und 5-2 vorhanden sind, zum äußeren Umfang des Keramikwaben-
Strukturkörpers 1 hin zu steigern. D. h. die Größe der runden oder geraden Form in
der inneren Teilzone 5-1 wird kleiner gehalten als jene der äußeren Teilzone 5-2.
Natürlich ist die Teilung der zweiten Zone nicht auf 2 Abschnitte beschränkt, sondern
kann 3 oder mehr umfassen. Es ist nicht notwendig, darauf hinzuweisen, dass auch
im letzteren Fall die Größe der runden oder geraden Form in den Eckabschnitten 3a
der offenen Zelle 3, der in jeder der unterteilten Teilzonen vorhanden sind, zum
äußeren Umfangsabschnitt des Keramikwaben-Strukturkörpers 1 hin zunehmen
muss.
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Die folgenden Beispiele dienen der Illustration der Erfindung und sollen nicht als
Einschränkungen verstanden werden.
Beispiel 1
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Ein Keramikwaben-Strukturkörper 1 mit einem Durchmesser von 100 mm und einer
Länge von 150 mm, der eine Vielzahl offener Zellen 3 umfasst, die durch Zellwände
2 mit einer Dicke von 0,1 mm und einer Verbindungslänge von 1,27 mm definiert
sind, wird unter Verwendung einer Vorrichtung als Proben Nr. 1 bis 6 mit einer Form,
einer Größe und einem Bereich mit Eckabschnitten 3a hergestellt, wie sie in Tabelle
1 aufgeführt sind. Dann wird die Auswirkung der Form des Eckabschnitts untersucht,
indem beobachtet wird, ob der Keramikwaben-Strukturkörper 1 beim Ausformen
zusammenbricht oder nicht. Die Ergebnisse sind ebenfalls in Tabelle 1 aufgeführt.
Wie die Ergebnisse von Tabelle 1 zeigen, stürzen die als Erfindungsbeispiel
ausgeformten Proben Nr. 2 bis 6, die einen runden Eckabschnitt 3a aufweisen, nicht
beim Ausformen zusammen und erlauben im Vergleich zu Probe Nr. 1, welche ein
herkömmliches Beispiel ist, gute Formungseigenschaften auf. Von den
Erfindungsbeispielen sind die Beispiele mit einem Krümmungsradius von nicht weniger als 0,05
mm hervorragende Produkte.
Tabelle 1
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O: kein Versagen, Δ: leichtes Versagen,
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x: Versagen, als Produkt versagt
Beispiel 2
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Ein Keramikwaben-Strukturkörper 1 derselben Größe wie in Beispiel 1 wird unter
Verwendung einer Vorrichtung als Proben Nr. 11 bis 15 so geformt, dass eine
Länge einer zweiten Zone 5 des Außenumfangs des Strukturkörpers, die eine offene
Zellen 3 mit einem runden Eckabschnitt 3a mit einem Krümmungsradius von 0,1 mm
umfasst, wie in Tabelle 2 dargestellt verändert wird. Dann werden, basierend auf
dem vorhandenen Bereich der zweiten Zone 5, die Auswirkungen untersucht, indem
beobachtet wird, ob der Keramikwaben-Strukturkörper 1 beim Formen
zusammenbricht oder nicht. Die Ergebnisse sind ebenfalls in Tabelle 2 aufgeführt. Wie die
Ergebnisse von Tabelle 2 zeigen, stürzen die als Erfindungsbeispiel ausgeformten
Proben Nr. 12 bis 15 nicht beim Formen zusammen und erlauben im Vergleich zu
Probe Nr. 11, welche ein herkömmliches Beispiel ist, gute Formungseigenschaften
auf. Von den Erfindungsbeispielen sind die Beispiele, bei denen die Länge der
zweiten Zone 5 vom Außenumfang der zweiten Zone nicht weniger als 6 mm betrug,
hervorragende Produkte.
Tabelle 2
Beispiel 3
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Der Strukturkörper der Proben Nr. 2 bis 6 in Beispiel 1 und der Proben Nr. 12 bis 15
in Beispiel Nr. 2 wird gebrannt, um einen gebrannten Körper herzustellen, und dann
werden die Druckfestigkeit und Wärmeschockbeständigkeit des gebrannten Körpers
gemessen. Die Wärmeschockbeständigkeit wird wie folgt gemessen. Ein auf
Raumtemperatur abgekühltes Prüfstück des gebrannten Körpers wird in einen
Elektroofen gegeben, dessen Temperatur bei Raumtemperatur +700ºC gehalten
wird, 20 Minuten lang bei dieser Temperatur im Ofen gelassen und dann aus dem
Elektroofen herausgenommen und auf Raumtemperatur abgekühlt. Das Prüfstück
wird nur als annehmbares Produkt betrachtet, wenn kein Riss vorhanden ist und
beim Klopfen auf den äußeren Umfangsabschnitt des Prüfstücks mit einem dünnen
Metallstab ein metallischer Klang hörbar ist, während sein Aussehen beobachtet
wird. Dann wird das oben beschriebene Verfahren fortgesetzt, bis das akzeptable
Prüfstück kein annehmbares Produkt mehr ist, wobei die Temperatur im Elektroofen
jedesmal um 50ºC erhöht wird. Die Wärmeschockbeständigkeit wird durch einen
Temperaturwert dargestellt, der erhalten wird, indem die Raumtemperatur von einer
maximalen, annehmbaren Temperatur abgezogen wird. Die Druckfestigkeit, auf der
anderen Seite, ist eine Bruchdruckfestigkeit bei Belastung mit hydrostatischem
Druck, der isotrop auf den Keramikwaben-Strukturkörper aufgebracht wird, und wird
durch einen Druckwert ausgedrückt, bei dem das Produkt bricht. Auf jeden Fall sind
beide Werte ein Mittelwert, wenn die Zahl der Prüfstücke fünf ist. Die Ergebnisse
sind in Tabelle 3 und 4 aufgeführt.
Tabelle 3
Tabelle 4
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Wie die Ergebnisse von Tabelle 3 zeigen, weisen die Proben Nr. 3 bis 6, welche
runde Formen mit einer Größe von nicht weniger als 0,05 mm haben, im Vergleich
mit Probe Nr. 2, deren runde Form eine Größe von 0,03 mm hat, hervorragende
Druckfestigkeit auf. Wie die Ergebnisse von Tabelle 4 zeigen, weisen die Proben Nr.
13 bis 15, bei denen der Bereich der zweiten Zone des Außenumfangs nicht weniger
als 6 mm betrug, im Vergleich zu Probe Nr. 12, bei der der Bereich der zweiten Zone
4 mm betrug, sowohl hervorragende Druckfestigkeit als auch
Wärmeschockbeständigkeit auf.
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Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern es
können viele Modifikationen und Veränderungen vorgenommen werden.
Beispielsweise kann, obwohl der im Eckabschnitt ausgebildete Verstärkungsabschnitt hier
eine runde oder gerade Form aufweist, eine andere Form verwendet werden,
solange die Verstärkung aufrecht erhalten wird. So kann z. B. eine runde Form, die
sich konvex zur Mitte der offenen Zelle 3 hin erstreckt, anstelle der oben
beschriebenen runden Form verwendet werden. Außerdem können, obwohl hier eine
Ausführungsform beschrieben wird, bei der die zweite Zone 5 in mehrere Teilzonen
unterteilt ist und die Größe der runden oder geraden Form der einzelnen Teilzonen
von der Mitte nach außen hin langsam und periodisch zunimmt, ähnliche Ergebnisse
erzielt werden, wenn die Größe der runden oder geraden Form des Eckabschnitts in
der gesamten zweiten Zone 5 von der Mitte zum Außenumfang hin zunimmt, ohne
dass die zweite Zone 5 in Teilzonen unterteilt wird. Des Weiteren können, auch
wenn die Schnittform der offenen Zelle hier als quadratisch beschrieben wird,
beispielsweise eine dreieckige, rechteckige, hexagonale oder eine Kombination
dieser Formen verwendet werden.
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Wie oben erwähnt, sind gemäß der Erfindung alle Eckabschnitte der offenen Zelle in
der zweiten Zone, die als äußerer Abschnitt des Keramikwaben-Strukturkörpers
definiert ist, mit einem Verstärkungsabschnitt, der vorzugsweise ein runder oder
gerader Abrundungsabschnitt ist, ausgestattet, so dass die mechanische Festigkeit
und Formbeständigkeit des Keramikwaben-Strukturkörpers mit dünnen Zellwänden
erhöht werden können. Des Weiteren ist der Verstärkungsabschnitt nur in den
Eckabschnitten der offenen Zelle vorhanden, die sich in der zweiten Zone befinden,
und nicht in allen Eckabschnitten aller offenen Zelle, so dass die Zahl der
Herstellungsschritte der Formvorrichtung verringert und die Kosten und Lieferzeit
gesenkt werden können.