DE102005032842A1

DE102005032842A1 - Verfahren zur Herstellung von Partikelfiltern

Info

Publication number: DE102005032842A1
Application number: DE102005032842A
Authority: DE
Inventors: Juergen Rapp; Bernd Hohenberger; Harald-Thomas Stumpp
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-07-14
Filing date: 2005-07-14
Publication date: 2007-01-25

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Partikelfilters (110) zur Reinigung von partikelbeladenen Abgasströmen vorgeschlagen. Das Partikelfilter (110) weist mindestens ein Filterelement (210) auf, wobei das Filterelement (210) mindestens ein Sintermaterial (316) als Filtermaterial aufweist. Das Sintermaterial (316) wird mittels mindestens eines Pulverstrukturierungsverfahrens strukturiert. Als Pulverstrukturierungsverfahren werden dabei ein Pulver-Spritzgießverfahren (powder injection moding, PIM), ein pulverbasiertes Rapid-Prototyping-Verfahren und/oder ein pulverbasiertes Rapid-Tooling-Verfahren vorgeschlagen. Insbesondere lassen sich ein Metallpulver-Spritzgießverfahren (metal injection molding, MIM) und/oder ein Laser-Sinterverfahren einsetzen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Partikelfiltern zur Reinigung eines mit Partikeln beladenen Abgasstromes. Insbesondere können derartige Partikelfilter zum Reinigen von Abgasströmen von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen, beispielsweise Dieselmotoren, eingesetzt werden.

Aufgrund stetig steigender Anforderungen an die Umweltverträglichkeit von Verbrennungskraftmaschinen besteht ein hoher Bedarf an ausgereifter Filtertechnik. Insbesondere die Problematik der Feinstaubbelastung durch Rußpartikel aus Abgasen selbstzündender Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere von Dieselmotoren, hat die Anforderungen und die Erwartungen an derartige Filtersysteme stark erhöht. Abgesehen vom Bereich der Automobiltechnik sind derartige Filtersysteme jedoch auch in anderen Bereichen der Technik, beispielsweise der Abgastechnik für Kraftwerke oder ähnliche Anlagen, von Interesse.

Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Filtersysteme bekannt, welche für verschiedene Einsatzzwecke zur Reinigung von Gasströmen, insbesondere Abgasströmen, entwickelt wurden. Da Filtermedien in vielen Fällen hohen thermischen Belastungen ausgesetzt sind, wurde insbesondere die Technik der Metall-Sinterfilter entwickelt. So offenbart beispielsweise die DE 103 01 037 A1 ein Abgaspartikelfilter aus Sintermetall zur Beseitigung von in dem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine, enthaltenen Partikeln. Das Abgaspartikelfilter ist aufgebaut aus einem Filtermaterial mit wenigstens einem Träger aus Metall, welcher Öffnungen aufweist. Die Öffnungen sind mit einem porösen, durch einen Sinterprozess verfestigten Sintermetall gefüllt. Der Träger weist ein Streckmetall auf, so dass die Abschnitte, welche die Öffnungen des Trägers begrenzen, in einem stofflichen Verbund miteinander stehen.

Zur Herstellung eines derartigen, aus der DE 103 01 037 A1 bekannten Abgasfilters sind mehrere Arbeitsschritte erforderlich. Dabei wird zunächst das Streckmetall hergestellt. Anschließend wird ein Metallpulver-Binder-Gemisch in die Rauten des Streckmetalls einge bracht (Pastieren). Dem folgt ein Arbeitsschritt, in welchem eine Mesostruktur aufgebracht wird. Dabei wird eine Fläche mit feiner Struktur erzeugt, wodurch insgesamt die Oberfläche vergrößert wird und wodurch bestimmte Funktionen dargestellt werden. Anschließend erfolgt eine Konfektionierung und Palettierung, gefolgt von einem Entbinderungsschritt, bei welchem der Binder vollständig oder teilweise aus dem Filtermaterial entfernt wird, beispielsweise durch chemisches Entbindern oder thermisches Entbindern. Anschließend wird das Filtermaterial durch thermische Behandlung gesintert. Auf diese Weise werden Filtersheets hergestellt, welche anschließend durch Stanzen oder Laserschneiden, mehrfaches Umbördeln, Biegen der Taschengeometrie und Schweißen, vorzugsweise Widerstandsschweißen, in Filtertaschen umgeformt werden. In diese Filtertaschen wird aus Stabilitätsgründen anschließend ein so genannter Spacer eingebracht, welcher aufwändig gebogen oder gefalzt werden muss. Ein Partikelfilter wird aus mehreren einzelnen Filtertaschen, beispielsweise aus 72 Filtertaschen, einem Zahnflansch, einer Stützscheibe, einer Dichtscheibe und einem Rohr aufgebaut, welche jeweils miteinander mit einem Schweißverfahren, beispielsweise einem Lichtbogen-Schweißverfahren, verschweißt werden.

Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Herstellung von Partikelfiltern weisen jedoch für den praktischen Einsatz eine Reihe von Nachteilen auf. Insbesondere weisen die durch diese Verfahren hergestellten Partikelfilter, welche in der Praxis einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt sind, eine nicht ausreichende thermo-mechanische Festigkeit auf. Weiterhin sind die bekannten Verfahren äußerst aufwändig. Insbesondere die dargestellte Einbringung eines Spacers in die Filtertaschen erweist sich als kostenträchtig und zeitaufwändig. Auch die Filterwirkung der nach den bekannten Verfahren hergestellten Partikelfilter lässt in vielen Fällen zu wünschen übrig, was beispielsweise dadurch bedingt ist, dass die Oberfläche der aktiven Filtermaterialien in diesen Partikelfiltern herstellungsbedingt beschränkt ist. Die Filterwirkung hängt jedoch stark von der Oberfläche der Filtermaterialien ab. Weiterhin ergeben sich mit den bekannten Herstellungsverfahren Probleme bei der Herstellungsgenauigkeit. Typische Genauigkeiten mit den aus dem Stand der Technik beschriebenen Verfahren liegen im Bereich von Zehntel Millimetern, was zu Schwierigkeiten beim Montage- und Fügeprozess führen kann.

Vorteile der Erfindung

Es wird daher ein Verfahren zur Herstellung eines Partikelfilters zur Reinigung von partikelbeladenen Abgasströmen, insbesondere von Abgasströmen selbstzündender Verbrennungskraftmaschinen, vorgeschlagen, welches die Nachteile bekannter Verfahren vermeidet. Das Partikelfilter weist dabei mindestens ein Filterelement (beispielsweise ein Filtersheet) und mindestens ein Sintermaterial als Filtermaterial auf. Beispielsweise kann es sich bei dem Sintermaterial um ein Sintermetall handeln, wie beispielsweise ein aus DE 103 01 037 A1 bekanntes Sintermetall. Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, das Sintermaterial nicht, wie aus dem Stand der Technik bekannt, unstrukturiert zu belassen oder unstrukturiert aufzubringen, sondern stattdessen das mindestens eine Sintermaterial mittels mindestens eines Pulverstrukturierungsverfahrens zu strukturieren. Erfindungsgemäß soll dieses Pulverstrukturierungsverfahren ein Pulver-Spritzgießverfahren (englisch powder injection molding, PIM) und/oder ein pulverbasiertes Rapid-Prototyping-Verfahren und/oder ein pulverbasiertes Rapid-Tooling-Verfahren aufweisen.

Diese Pulverstrukturierungsverfahren sind dem Fachmann aus anderen Bereichen der Technik bekannt. So wird das Pulver-Spritzgießverfahren (PIM) beispielsweise häufig eingesetzt, um komplexe Keramik- und/oder Metallbauteile herzustellen, typischerweise Metallbauteile einer Größe von beispielsweise bis zu 40 mm, welche nicht oder nur unter hohem Aufwand durch andere Verfahren, wie beispielsweise Pressverfahren oder spanabhebende Verfahren, hergestellt werden können. Insbesondere bieten sich als Pulver somit Sintermetalle und/oder Sinterkeramiken an. Dementsprechend ist das Pulver-Spritzgießverfahren in den Varianten eines Metallpulver-Spritzgießverfahrens (metal injection molding, MIM) und des Keramikpulver-Spritzgießens (ceramic injection molding, CIM) bekannt. Derartige Pulver-Spritzgießverfahren sind bei komplexen metallischen und/oder keramischen Bauteilen häufig erheblich kostengünstiger einsetzbar als beispielsweise zerspanende Verfahren. Typischerweise werden mit diesen Verfahren Dichten bis zu 99% erreicht. Dabei können auch poröse Materialien mittels des Pulver-Spritzgießverfahrens hergestellte werden, bei denen das Pulver zusätzlich Füllstoffe aufweist, welche später beispielsweise durch chemisches Herauslösen oder thermisches Ausheizen entfernt werden und entsprechende Poren im Material zurücklassen.

Auch mehrere pulverbasierte Rapid-Prototyping- oder Rapid-Tooling-Verfahren sind dem Fachmann aus anderen Bereichen der Technik bekannt. Rapid-Prototyping soll dabei als Sammelbegriff für technische Verfahren zur direkten Herstellung von Musterteilen aus CAD-Daten verstanden werden, insbesondere 3D-CAD-Daten. Unter dem Begriff Rapid-Tooling sollen Verfahren zusammengefasst sein, die ausgehend vom CAD-Daten bzw. Modellen (insbesondere wiederum 3D-CAD-Daten) eine schnelle Herstellung von Werkzeugen zur Fertigung einer Null-Serie ermöglichen. So wird beispielsweise Rapid-Prototyping eingesetzt, um schnell und vergleichsweise kostengünstig Prototypen herzustellen, wobei häufig die Eingabe einfacher CAD-Daten (computer-assisted design, computergestützte Konstruktion) in entsprechende Rapid-Prototyping- oder Rapid-Tooling-Maschinen ausreicht. Auf die vorherige Herstellung entsprechender Werkzeuge, beispielsweise entsprechender Spritzgieß-Werkzeuge, kann dabei verzichtet werden. Eine Idee der vorliegenden Erfindung besteht darin, derartige Techniken, welche bislang lediglich für Einzelstücke eingesetzt wurden, auch für den Großserieneinsatz zur Herstellung von Parti kelfiltern nutzbar zu machen. Bevorzugt wird dabei ein Rapid-Prototyping-Verfahren eingesetzt, welches auf einem Laser-Sinterverfahren beruht.

Die vorgeschlagenen Pulverstrukturierungsverfahren können auch nach Belieben kombiniert werden. Auch Abwandlungen derartiger Verfahren sind vorteilhaft einsetzbar, wie beispielsweise Mehrkomponenten-Spritzgießverfahren oder Spritzgießverfahren, bei denen andere Bauteile (beispielsweise Träger) umspritzt werden, wie beispielsweise Insert-Molding-Verfahren. Beispielsweise kann dabei das mindestens eine Filterelement mindestens ein Trägerelement mit mindestens einer Öffnung aufweisen, wobei die mindestens eine Öffnung zumindest teilweise von dem mindestens einen Sintermaterial bedeckt ist. Dabei kann der Zeitpunkt der Strukturierung des Sintermaterials unterschiedlich gewählt werden: So kann das mindestens eine Sintermaterial bereits strukturiert auf das mindestens eine Trägerelement aufgebracht werden, oder das mindestens eine Sintermaterial kann auf das mindestens eine Trägerelement aufgebracht und erst anschließend strukturiert werden. Auch Kombinationen, bei denen Teilbereiche vor dem Aufbringen strukturiert werden und andere Teilbereich erst nach dem Aufbringen, sind denkbar. Insbesondere kann das mindestens eine Trägerelement in ein entsprechendes Spritzgießwerkzeug eingelegt und anschließend mittels eines Pulver-Spritzgießverfahrens umspritzt werden.

Das Partikelfilter kann beispielsweise mindestens eine Filtertasche mit jeweils mindestens zwei Filterelementen aufweisen. Beispielsweise mittels des Pulver-Spritzgießverfahrens können dann ganze Filtertaschen, Filtertaschenmodule oder auch komplette Filter in einem Arbeitsgang durch beispielsweise ein Metallpulver-Spritzgießverfahren oder ein vergleichbares Verfahren hergestellt werden. Dabei wird das mindestens eine Sintermaterial in demselben Verfahrensschritt auf jeweils mindestens ein Trägerelement jedes Filterelements der mindestens einen Filtertasche aufgebracht. Das Verfahren kann dabei derart ausgestaltet sein, dass das mindestens eine Filterelement eine offene Filterfläche aufweist, wobei das Sintermaterial mittels des Pulverstrukturierungsverfahrens derart strukturiert wird, dass das strukturierte Sintermaterial eine um mindestens einen Faktor 1,2 vergrößerte Oberfläche im Vergleich zur offenen Filterfläche aufweist.

Beim Pulver-Spritzgießverfahren, insbesondere beim Metallpulver-Spritzgießen, wird Ausgangsmaterial meist ein Pulver, insbesondere ein Metallpulver bzw. Keramikpulver, eingesetzt, welches mit einem Bindermaterial gemischt wird. Bei diesen Bindermaterialien handelt es sich üblicherweise um organische Verbindungen, welche der Mischung eine für ein Spritzgießverfahren erforderliche Fließfähigkeit verleihen. Fertige Pulver-Binder-Mischungen sind kommerziell von zahlreichen Anbietern erhältlich, beispielsweise in verschiedenen Pulver-Korngrößen, Porosität etc. Diese Mischungen werden in einer Spritzgießmaschine unter Druck und erhöhter Temperatur in ein Werkzeug eingespritzt, analog zu einem Kunststoff-Spritzgießverfahren. Die Masse kühlt in einem Formnest des Werkzeugs ab, so dass sich beim Öffnen des Werkzeugs und Entformen ein erster Formkörper bildet, welcher als Grünling bezeichnet wird. Anschließend wird in einem Entbinderungsschritt das Bindermaterial vorzugsweise vollständig aus dem Grünling entfernt. Diese Entbinderungsschritt kann, je nach eingesetztem Bindermaterial, auf unterschiedliche Weise erfolgen. Beispielsweise kann ein thermisches Ausheizen des Grünlings erfolgen, wobei Bindermaterial in die Gasphase übergeht und in die Umgebung entweicht. Auch eine thermische oder katalytische Zersetzung des Bindermaterials mit anschließendem Entfernen als Gas oder in Lösung ist praktizierbar. Auch eine entsprechende Entbinderung unter Einsatz von chemischen Verfahren, beispielsweise Einsatz von Lösungsmitteln oder flüssigen Katalysatoren, wird eingesetzt. Dabei wird beispielsweise der Binder katalytisch umgesetzt und entsprechend mit der Lösung entfernt. Derartige Binder-Katalysator-Kombinationen sind kommerziell erhältlich. Durch den Entbinderungsschritt entsteht aus dem Grünling ein Braunling. Anschließend erfolgt eine weitere thermische Nachbehandlung (Sintern), bei welcher die Metallpartikel bzw. Pulverpartikel am Rand aufgeschmolzen und miteinander verbunden werden, wobei sich eine feste Matrix ausbildet. Dabei erhält der Formling seine endgültige Form.

Mit dem erfindungsgemäßen Pulver-Spritzgießverfahren, insbesondere dem Metallpulver-Spritzgießverfahren, kann eine Vielzahl von Arbeitsschritten und damit Kosten bei der Herstellung der Partikelfilter eingespart werden. So können Filterelemente und evt. ganze Partikelfilter in einem Verfahrensschritt hergestellt werden. Das Verfahren hat somit eine sehr hohe Produktivität und ist auch für einen Großserieneinsatz geeignet. Weiterhin ist das Verfahren ein formgebendes Verfahren, d. h. die Oberfläche des Sintermaterials kann nahezu beliebig als Negativabbild des Formnests der Spritzgießform (Werkzeug) ausgestaltet werden. Dadurch lässt sich die Oberfläche stark gegenüber den derzeit möglichen Oberflächen vergrößern. Da die Größe der Filterfläche mit heutigen Herstellungsverfahren ein begrenzendes Element ist, jedoch für die Wirksamkeit der Partikelfilter von entscheidender Bedeutung ist, ist dies ein erheblicher Vorteil gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren.

Weiterhin kann die Form des Sintermaterials durch das Pulverstrukturierungsverfahren kraftflussoptimiert gestaltet werden. Dies bedeutet insbesondere, dass durch geeignete Verdickungen, Streben und entsprechende Radien Spannungsspitzen mechanischer Belastungen vermieden werden können. Bei derzeit eingesetzten Konstruktionsverfahren werden dynamische Festigkeiten erreicht, welche typische Schwachstellen aufgrund von Kerben, die durch die Funktion und den Herstellungsprozess gegeben und nahezu nicht vermeidbar sind, aufweisen. Ein wichtiges Beispiel dafür ist die bei typischen Herstellungsverfahren, beispielsweise dem oben beschriebenen Herstellungsverfahren, benötigte Bördelung am Taschenrücken. Mittels des vorgeschlagenen Pulverstrukturierungsverfahrens lassen sich somit qualitativ hochwertigere Filterelemente und Partikelfilter herstellen, welche höheren thermo-mechanischen Belastungen standhalten.

Weiterhin haben die Filterelemente eine hohe Genauigkeit, da die Geometrie maschinengebunden ist. Während derzeitige Filtertaschen aufgrund der eingesetzten Biegeprozesse und Schweißverfahren typischerweise Genauigkeiten im Zehntelbereich aufweisen, was bei Montage- und Fügeprozessen bereits zu Schwierigkeiten führen kann, weisen nach einem Pulver-Spritzgießverfahren, insbesondere einem Metallpulver-Spritzgießverfahren, hergestellte Produkte typischerweise Genauigkeiten im Bereich von Hundertstel Millimetern auf. Das erfindungsgemäße Verfahren trägt also erheblich zu einer Verringerung des Ausschusses bei der Herstellung der Partikelfilter bei und steigert die Prozesssicherheit.

Weiterhin kann durch das vorgeschlagene Pulverstrukturierungsverfahren auch die konstruktive Ausgestaltung einzelner Elemente des Partikelfilters verbessert werden. So können beispielsweise bei dem Pulver-Spritzgießverfahren entsprechende Nuten oder Verdickungen eingebracht werden, durch welche die Geometrie dieser Elemente schweißgerecht gestaltet werden kann. Hierdurch werden nachfolgende Verfahrensschritte vereinfacht und die allgemeine Prozessstabilität und Rentabilität der Prozesse gesteigert. Beispielsweise lassen sich geometrisch unbestimmte Stellen (d. h. Stellen, die nicht genau definiert sind, beispielsweise Löcher, und an denen es aufgrund von Fertigungstoleranzen leicht zu Fehlern kommen kann) an Schweißstellen, beispielsweise an einer Dichtscheibe oder einem Übergang einer Filtertasche zu einem Flansch, vermeiden. Weiterhin lassen sich beispielsweise an entsprechenden Stellen Nuten einbringen, um Heißrisse zu vermeiden. Zusätzlich oder alternativ können Verstrebungen im Inneren von Filtertaschen eingebracht werden. Hierdurch kann auf den oben beschriebenen Spacer, welcher bei aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren in die Filtertaschen eingebracht werden muss, verzichtet werden. Dies bedeutet einen erheblichen Kostenvorteil, da die Herstellung der Spacer, wie oben beschrieben, mit aufwändigen und kostenintensiven Verfahrensschritten verbunden ist.

Auch weitere Vorteile des vorgeschlagenen Pulver-Spritzgießverfahrens sind zu nennen. So sind insbesondere die fertig strukturierten Filterelemente nach dem beschriebenen Sinterprozess nahezu spannungsfrei. Weiterhin lassen sich mehrstufige Verfahren einsetzen, wie sie beispielsweise aus dem Mehrkomponenten-Spritzguss bekannt sind. So können beispielsweise Zwei-Komponenten-Verfahren eingesetzt werden, bei denen gezielt Materialeigenschaften und Verdichtungsgrade lokal verändert werden. Denkbar ist auch, wie oben beschrieben, das Einbringen einer stützenden Matrix, welche umspritzt wird. All diese Vorteile bewirken, dass das vorgeschlagene Verfahren zur Herstellung des Partikelfilters mittels eines Pulver-Spritzgießverfahrens mit erheblichen konstruktiven Vorteilen und Kostenvorteilen verbunden ist.

Bei dem alternativ oder zusätzlich vorgeschlagenen Laser-Sinterverfahren wird die gesamte Geometrie des Filters direkt aus einem entsprechenden Pulver, welches das mindestens eine Sintermaterial aufweist, aufgebaut. Beispielsweise kann wiederum das Sintermaterial ein Metallpulver und/oder ein Keramikpulver aufweisen. Auch sind, wie oben beschrieben, zusätzliche Beimischungen entsprechender Füllmaterialien zur Einstellung bestimmter Materialeigenschaften denkbar. Beim Lasersintern wird zunächst eine Schicht des Pulvers aufgebracht, beispielsweise auf ein Trägerelement eines Filterelements, und anschließend selektiv räumlich mit einem entsprechenden Laser partiell aufgeschmolzen und gesintert. Beispielsweise kann das Trägerelement eine Matrix aus Streckmetall aufweisen, wie dies beispielsweise aus der DE 103 01 037 A1 bekannt ist. Dieses Streckmetall weist entsprechende Öffnungen auf, welche mit der Schicht des Pulvers bedeckt werden. Der Laser wird, beispielsweise durch Eingabe entsprechender CAD-Daten, derart gesteuert, dass nur in den für diese Schicht gewünschten Bereichen ein Sinterprozess erfolgt. Anschließend wird aus den Bereichen, in denen kein Sintern erfolgt ist, das nicht-gesinterte Pulver selektiv wieder entfernt. Anschließend wird die nächste Schicht Pulver aufgebracht und diese wieder selektiv mit dem Laser gesintert. Dieser Prozess wird beliebig fortgesetzt, bis das Filterelement Schicht für Schicht aufgebaut ist. Damit lassen sich nahezu beliebige Konturen mit Hinterschnitten, Durchbrüchen usw. herstellen.

Auch diese erfindungsgemäße Verfahrensvariante weist gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zahlreiche Vorteile auf. So können beispielsweise das gesamte Partikelfilter oder auch einzelne Bestandteile des Partikelfilters, wie beispielsweise Filterelemente oder Filtertaschen, in einem einzelnen Arbeitsgang hergestellt werden. Die herstellbaren Konturen sind dabei beliebig komplex und können einfach durch Veränderung entsprechender CAD-Daten angepasst werden. Somit kann, analog zu den oben beschriebenen Vorteilen des Pulver-Spritzgießverfahrens, eine Anpassung der Konstruktion an die Funktion des Filters erfolgen und somit insbesondere auch die thermo-mechanische Stabilität des Filters stark verbessert werden. Die oben genannten Vorteile sind somit weitgehend auf das Laser-Sinterverfahren übertragbar. Weiterhin können durch eine entsprechende Variation der Prozessparameter, beispielsweise der Laserintensität oder der Fokussierung des Lasers, der Aufschmelz- und Verdichtungsgrad oder andere Materialeigenschaften lokal beeinflusst werden. Somit weist diese Verfahrensvariante eine besonders hohe Flexibilität auf.

Zeichnung

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.

Es zeigt:

1 eine perspektivische Teilschnittansicht eines Partikelfilters;

2 eine Vorderansicht eines Partikelfilters gemäß 1 von der Anströmseite;

3 ein einzelnes Filterelement mit einem Trägerelement aus Streckmetall;

4 eine schematische Darstellung eines Metallpulver-Umspritzens des Trägerelements gemäß 4;

5 eine schematische Darstellung eines Umspritzens einer kompletten Filtertasche in einem Metallpulver-Spritzgießverfahren; und

6A bis 6D schematische Darstellungen der Verfahrensschritte zur Aufbringung eines Sintermaterials auf ein Trägerelement gemäß 3 mittels eines Laser-Sinterverfahrens.

In 1 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Partikelfilters 110 in perspektivischer Schnittdarstellung dargestellt, welches mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren hergestellt werden kann. Dabei sind in der Darstellung gemäß 1 ein zusätzliches Gehäuse (Canning), welches das Partikelfilter 110 umschließt, sowie mögliche Anström- und Abströmdeckel nicht dargestellt. Es sei darauf hingewiesen, dass das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren auch für andere Partikelfilter als das in 1 dargestellte Partikelfilter 110 eingesetzt werden kann. Weitere Filtergeometrien für Partikelfilter sind dem Fachmann bekannt.
Das Partikelfilter 110 gemäß 1 weist ein Partikelfilterinnenrohr 112 auf, welches von einem Flansch 114 umgeben ist. Der Flansch 114 dient zur Befestigung eines (in 1 nicht dargestellten) Gehäuses. Das Partikelfilter 110 gemäß der Darstellung in 1 weist auf seiner linken Seite in 1 eine Anströmseite 118 und auf seiner rechten, in der Darstellung gemäß 1 sichtbaren Seite eine Abströmseite 116 auf. Ein mit Partikeln beladener Gasstrom durchströmt das Partikelfilter 110 von der Anströmseite 118 in Richtung zur Abströmseite 116.
In das Partikelfilter 110 sind sternförmig radial angeordnete Filtertaschen 120 eingelassen. Die Filtertaschen 120 haben jeweils einen keilförmigen Querschnitt und sind von der Abströmseite 116 zur Anströmseite 118 hin spitz zulaufend. An der Anströmseite 118 werden die sternförmig angeordneten Filtertaschen 120 durch einen inneren Stützring 122 und Distanzstücke 123 beabstandet gehalten. Der innere Stützring 122 wiederum ist über sternförmige Speichen 124 mit einem anströmseitigen äußeren Stützring 126 verbunden, welcher am Partikelfilterinnenrohr 112 befestigt ist (beispielsweise durch Verschweißen). Auf diese Weise werden die Filtertaschen 120 auch bei Erschütterungen fest im Partikelfilter 110 gehaltert.
Der keilförmige, spitze Verlauf der Filtertaschen 110 von der Abströmseite 116 hin zur Anströmseite 118 bewirkt, dass die Filtertaschen 120 umfangsseitig auf der Abströmseite 116 jeweils einen verbreiterten Taschenrücken 128 aufweisen. Abströmseitig sind diese Taschenrücken 128 mit einem abströmseitigen äußeren Stützring 130 umfangsseitig umgeben, welche wiederum am Partikelfilterinnenrohr 112 befestigt ist. Dabei hat es sich gezeigt, dass in der Nähe der Abströmseite 116 insbesondere die Taschenrücken 128 der Filtertaschen 120 besonderen thermo-mechanischen Belastungen ausgesetzt sind.
In 2 ist, in Ergänzung zu 1, eine Vorderansicht mit Blickrichtung von der Abströmseite 116 eines Partikelfilters 110 gemäß 1 dargestellt. Wie anhand von 1 beschrieben, weist das Partikelfilter 110 eine sternförmige Anordnung von Filtertaschen 120 auf, welche abströmseitig an einen abströmseitigen äußeren Stützring 130 angebunden sind, welcher wiederum von einem Partikelfilterinnenrohr 112 umgeben ist. Auch der Flansch 114 zur Anbindung eines Partikelfiltergehäuses (nicht dargestellt) ist in 2 zu sehen. Wie bereits anhand von 1 erwähnt, weisen die Filtertaschen 120 einen keilförmigen Querschnitt auf. Jede Filtertasche 120 wird begrenzt durch zwei Filterelemente 210 und einen Filterrücken 128. Um einer Filtertasche 120 jeweils eine erhöhte Stabilität zu verleihen, ist in jede Filtertasche 120 ein zickzackförmiger Spacer 212 eingebracht. Um zu verhindern, dass ein partikelbeladener Gasstrom im Zentralbereich des Partikelfilters 110 an den Filtertaschen 120 vorbeiströmt, ohne die Filterelemente 210 zu durchströmen, ist der kreisförmige Innenbereich mit einem Deckel 214 verschlossen. Anströmseitig, wo die Filtertaschen 120 spitz zulaufen, entsteht zwischen den einzelnen Filtertaschen 120 ein Zwischenraum 132. Ein partikelbeladener Gasstrom kann das Filter 110 also nur durchdringen, indem dieser abströmseitig in die Zwischenräume 132 einströmt, dann die Filterelemente 210 durchdringt und somit in die einzelnen Filtertaschen 120 einströmt. So kann der Abgasstrom das Partikelfilter 110 abströmseitig gereinigt verlassen.
In 3 ist ein Filterelement 210 dargestellt, welches beispielsweise bei der Herstellung von Filtertaschen 120, wie sie für Partikelfilter 110 gemäß den Darstellungen in 1 und 2 eingesetzt werden können, verwendet werden kann. Das Filterelement 210 weist einen Trägerrahmen 310 und ein Trägerelement 312 auf. Das Trägerelement 312 weist in diesem Ausführungsbeispiel ein Streckmetall mit rautenförmigen Öffnungen auf. Die Verwendung derartiger Streckmetalle ist beispielsweise aus der DE 103 10 037 A1 bekannt. Die im Nachfolgenden dargestellten Herstellungsverfahren zur Herstellung von Partikelfiltern 110 werden beispielhaft mit Filterelemente 210 der in 3 dargestellten Art beschrieben. Die Herstellungsverfahren sind jedoch grundsätzlich auf beliebige Geometrien von Filterelementen 210 anwendbar.
So ist in 4 schematisch ein Aufbau dargestellt, bei welchem ein Filterelement 210 gemäß 3, beispielsweise ein Filterelement 210 mit einem Trägerelement 212 aus Streckmetall, in einem Metallpulver-Spritzgießverfahren umspritzt wird. Hierfür wird das Filterelement 210 in ein Spritzgießwerkzeug 410 eingelegt, welches waffelförmige Formhälften 412, 414 aufweist, dabei greifen Erhöhungen der unteren Formhälfte 412 in die rautenförmigen Öffnungen 314 (siehe 3) des Streckmetall-Trägerelements 312 ein. Die obere Formhälfte 414 ist im Wesentlichen komplementär zur unteren Formhälfte 412 ausgestaltet. Weiterhin weist das Werkzeug 410 einen oder mehrere Angüsse 416 auf, wobei die Verteilung und die Geometrie der Angüsse 416 derart gewählt sind, dass sich eine Spritzgießmasse optimal im Formnest 418 des Werkzeugs 410 verteilen kann.
Für einfache Testversuche wurde eine kommerziell erhältliche, spritzgießfähige Metallpulver-Binder-Mischung verwendet. Als Bindermaterial wurde dabei ein katalytisch abbaubares Bindersystem auf der Basis von Polyoxymethylen (POM) verwendet. Als Metallpulver wurde Carbonyleisen mit 2% Nickel mit Pulverpartikelgrößen von ca. 3 bis 6 μm eingesetzt. Der Metallpulveranteil im Gemisch betrug ca. 50 bis 60 Vol-%. Diese Metallpulver-Binder-Mischung wurde durch den Anguss 416 in das Formest 418 der Anordnung gemäß 4 mittels einer handelsüblichen Spritzgießmaschine eingespritzt. Anschließend wurde nach einer entsprechenden Abkühlzeit von ca. 30 Sekunden das Filterelement 210, welches nun mit der Metallpulver-Binder-Masse umspritzt war, entformt (Grünling). Dieser Grünling wurde anschließend einem Entbinderungsschritt unterzogen, wobei das Bindermaterial POM durch starke Säuren abgebaut wurde. Die Abbauprodukte, überwiegend Formaldehyd, entwichen in die Gasphase. Derartige Entbinderungen von POM-basierten Bindern sind aus der Literatur bekannt. Anschließend wurde der so entstandene Braunling in einem Sinterofen unter Argonatmosphäre bei einer Temperatur von ca. 1000°C gesintert, wobei das fertige Filterelement 210 entstand. Wie in 3 schematisch angedeutet, wur de dabei das Filtermaterial 316 in Form des nunmehr gesinterten Sintermetalls im Wesentlichen in die Öffnungen 314 des Trägerelements 312 eingebracht.
In 5 ist eine weitere, bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens schematisch angedeutet, bei welchem eine vollständige Filtertasche 120 in einem Metallpulver-Spritzgießprozess analog zu dem in 4 dargestellten Prozess umspritzt wird. Wiederum wird zu diesem Zweck die Filtertasche 120 in ein entsprechendes Werkzeug 410 eingelegt. Das Filterelement 120 hat keilförmige Gestalt und weist zwei Filterelemente 210 gemäß der Anordnung in 3 auf. Dabei wird, analog zu dem in 4 dargestellten Prozess, als Ausgangsprodukt eine Filtertasche 120 eingesetzt, bei welcher die Öffnungen 314 der Filterelemente 210 noch nicht mit Filtermaterial 316 ausgefüllt sind. Analog zum in 4 dargestellten Werkzeug 410 kann auch im Ausführungsbeispiel gemäß 5 wiederum ein Werkzeug mit einer aufgerauten Oberfläche, beispielsweise einer Oberfläche mit einem Waffelmuster oder ähnlichen Mustern, verwendet werden. Zusätzlich zu dem Waffelmuster kann die Oberfläche auch noch weiter aufgeraut sein, um eine möglichst große Oberfläche der Filterelemente 210 bzw. des Filtermaterials 316 der Filterelemente 210 zu erzielen. Der Anguss ist in der Darstellung gemäß 5 nicht abgebildet.
Zusätzlich zu dem in 4 dargestellten Verfahren ist in dem in 5 dargestellten Spritzgießverfahren noch ein mehrteiliger Formkern 510 ins Innere der Filtertasche 120 eingebracht. Der Formkern 510 weist Aussparungen 512 auf, welche sich von einer Filtertasche 210 zur anderen erstrecken. Beim Metallpulver-Spritzgießen werden diese Aussparungen 512 mit Metallpulver-Binder-Gemisch gefüllt. Nach dem Entformen, Entbindern und Sintern bilden sich in diesen Bereichen Stege zwischen den Filterelementen 210 aus. Auf diese Weise lassen sich die in 2 dargestellten Spacer 212 durch entsprechende Stege aus Filtermaterial 316 ersetzen. Auf diese Weise kann der Herstellungsprozess der Filterelemente 120 äußerst kostengünstig gestaltet werden, da die Herstellung und Einbringung der Spacer 212 mit einem hohen Zeit- und Kostenaufwand verbunden ist. Alternativ oder zusätzlich zu den Stegen können auch zusätzliche Elemente an die Filtertaschen 120 angespritzt werden, wie oben beschrieben.
In den 6A bis 6D ist schließlich ein Verfahren dargestellt, bei welchem Filtermaterial 316 mittels eines Laser-Sinterprozesses auf ein Filterelement 210 mit einem Trägerelement 312 aus Streckmetall aufgebracht wird. Dabei wird zunächst (6A) das Trägerelement 312 aus Streckmetall mit einer ersten Schicht eines Metallpulvers 610 bedeckt. Dabei kann grundsätzlich ein Sintermaterial ähnlich dem oben beschriebenen Sintermetallpulver für den Spritzgießprozess eingesetzt werden. Auf den Binderanteil kann dabei jedoch verzichtet werden. Es kann jedoch ein Hybridverfahren eingesetzt werden, bei welchem ein Metallpulver-Binder-Gemisch eingesetzt wird, so dass wiederum zunächst ein Grünling entsteht, welcher anschließend wiederum entbindert und in einem Sinterofen gesintert wird. Diese mögliche Verfahrensvariante, welche erfindungsgemäß mit erfasst sein soll, wird im Folgenden jedoch nicht diskutiert.
In 6B ist dargestellt, wie anschließend mittels eines Laserstrahls 612 das Metallpulver 610 lokal gesintert wird. Ähnlich zum erwähnten Hybridverfahren kann dieses Sintern vollständig erfolgen, oder es kann auch ein anschließendes nachträgliches Zusatzsintern in einem Sinterofen erfolgen. Typischerweise werden zur Erzeugung des Laserstrahls 612 Hochleistungslaser, beispielsweise CO₂-Laser mit einer Leistung von 50 Watt, verwendet. Bei kommerziellen Anlagen können CAD-Daten über einen Computer eingegeben werden, wobei die Positionierung des Laserstrahls (in 6B symbolisch durch die Pfeile 614 dargestellt) unmittelbar über die CAD-Daten computergesteuert wird.
Wie in 6B dargestellt, wird bei dem bevorzugten Verfahren gemäß den 6A bis 6D insbesondere im ersten Schritt Metallpulver 610 gesintert, welches auf dem Streckmetall-Trägerelement 312 liegt. Metallpulver 610 im Bereich der Öffnungen 314 wird in diesem ersten Verfahrensschritt nicht gesintert und wird anschließend entfernt. Dadurch bildet sich die in 6C abgebildete Struktur aus, bei welcher die Streckmetall-Trägerelemente 312 von (vollständig oder teilweise) gesintertem Filtermaterial 314 bedeckt sind. Anschließend können die in den 6A bis 6C dargestellten Verfahrensschritte wiederholt durchgeführt werden, wobei der durch den Laserstrahl 612 bestimmte Sinterbereich jeweils leicht gegenüber dem vorhergehenden Verfahrensschritt verschoben wird. Dies kann so lange durchgeführt werden, bis das gesinterte Filtermaterial 316 die Öffnungen 314 vollständig verschließt. Dadurch bildet sich eine treppenartige Pyramidenstruktur in dem gesinterten Filtermaterial 316 aus, welche eine besonders hohe Oberfläche aufweist und welche somit eine entsprechend gute Filterung eines Abgasstroms bewirkt.

110: Partikelfilter
112: Partikelfilterinnenrohr
114: Flansch
116: Abströmseite
118: Anströmseite
120: Filtertaschen
122: innerer Stützring
123: Distanzstücke
124: sternförmige Speichen
126: abströmseitiger äußerer Stütz
: ring
128: Taschenrücken
130: Anströmseitiger äußerer
: Stützring
132: Zwischenraum zwischen Fil
: tertaschen
210: Filterelement
212: Spacer
214: Deckel
310: Trägerrahmen
312: Trägerelement
314: Öffnungen
316: Filtermaterial
410: Spritzgießwerkzeug
412: untere Formhälfte
414: obere Formhälfte
416: Anguss
418: Formnest
510: Formkern
512: Aussparungen
610: Metallpulver
612: Laserstrahl
614: Positionierung

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Partikelfilters (110) zur Reinigung von partikelbeladenen Abgasströmen, wobei das Partikelfilter (110) mindestens ein Filterelement (210) aufweist und wobei das Filterelement (210) mindestens ein Sintermaterial (316) als Filtermaterial (316) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Sintermaterial (316) mittels mindestens eines Pulverstrukturierungsverfahrens strukturiert wird, wobei das mindestens eine Pulverstrukturierungsverfahren mindestens einen der folgenden Prozesse aufweist: ein Pulver-Spritzgießverfahren (powder injection molding, PIM); ein pulverbasiertes Rapid-Prototyping-Verfahren; ein pulverbasiertes Rapid-Tooling-Verfahren.
Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Sintermaterial (316) mindestens eines der folgenden Materialien aufweist: ein Sintermetall (316); eine Sinterkeramik.
Verfahren gemäß einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Pulverstrukturierungsverfahren mindestens einen der folgenden Prozesse beinhaltet: ein Metallpulver-Spritzgießverfahren (metal injection molding, MIM); ein Laser-Sinterverfahren.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Pulverstrukturierungsverfahren ein Mehrkomponenten-Spritzgießverfahren beinhaltet.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Filterelement (210) mindestens ein Trägerelement (312) mit mindestens einer Öffnung (314) aufweist, wobei die mindestens eine Öffnung (314) zumindest teilweise von dem mindestens einen Sintermaterial (316) bedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens einen der folgenden Schritte aufweist: das mindestens eine Sintermaterial (316) wird strukturiert auf das mindestens eine Trägerelement (312) aufgebracht; das mindestens eine Sintermaterial (316) wird auf das mindestens eine Trägerelement (312) aufgebracht und anschließend strukturiert.
Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Trägerelement (312) zumindest teilweise mittels eines Pulver-Spritzgießverfahrens umspritzt wird.
Verfahren gemäß einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei das Partikelfilter (110) mindestens eine Filtertasche (120) aufweist, wobei die mindestens eine Filtertasche (120) mindestens zwei Filterelemente (210) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Sintermaterial (316) in demselben Verfahrensschritt auf jeweils mindestens ein Trägerelement (312) jedes Filterelements (210) der mindestens einen Filtertasche (120) aufgebracht wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Filterelement (210) eine offene Filterfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Sintermaterial (316) mittels des Pulverstrukturierungsverfahrens derart strukturiert wird, dass das strukturierte Sintermaterial (316) eine mindestens 1,2-fache Oberfläche im Vergleich zur offenen Filterfläche aufweist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Sintermaterial (316) schichtweise strukturiert wird, wobei mindestens zwei Schichten des mindestens einen Filtermaterials (316) aufgebracht werden, wobei nach dem Aufbringen jeder Schicht ein Sinterschritt erfolgt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Schritte, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Filtermaterialien (316) eingesetzt werden, wobei die mindestens zwei Filtermaterialien (316) derart gewählt sind und/oder strukturiert und/oder gesintert werden, dass diese sich nach Herstellung des Partikelfilters (110) in mindestens einer Materialeigenschaft unterscheiden.