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Die
Erfindung betrifft ein Sintergestell mit wenigstens einem Ablageelement
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Zum
Sintern von Produkten in Öfen
werden Sintergestelle verwendet, die üblicherweise aus keramischen
Platten, Balken und Stützen
aufgebaut sind. Mit zunehmender Sintertemperatur, Größe, Produktgewicht,
Produktgröße und Aufheiz-
und Abkühlrampen
werden die Anforderungen an das Sintergestell höher bezüglich einzusetzender Werkstoffe und
deren konstruktivem Design. Bei hohem Produktgewicht und gleichzeitig
schnellen Temperaturwechseln im Ofen besteht aufgrund hoher mechanischer
und Thermoschock-Belastung des Gestells die Gefahr von Bruchschäden der
Sintergestelle, vor allem der Platten.
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Thermoschockresistenz
zu erreichen, wird bei bisher bekannten Sintergestellen durch Materialoptimierung
und Balkenkonstruktionen versucht. Diese bekannten Lösungen sind
für die
Erfüllung
aller Anforderungen nicht ausreichend, wenn ein schwerer Stapel
aus großflächigem Produkt
mit geringer Eigenstabilität
in einem möglichst
klein bauenden Sintergestell bei hohen Temperaturen und hohen Temperaturänderungsraten
gesintert werden soll und das Sintergestell stapelbar und als Ganzes
transportierbar und noch handhabbar sein soll, wenn alle Komponenten
des Sintergestells durch Kraftschluss, Formschluss oder Stoffschluss
miteinander verbunden sind.
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Aufgabe
der Erfindung ist die Bereitstellung eines Sintergestells, bei dem
die genannten Nachteile vermindert werden können.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Günstige
Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind den weiteren Ansprüchen zu
entnehmen.
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Das
erfindungsgemäße Sintergestell
weist vorteilhaft ein konstruktives Design auf, das die Thermoschock-Belastung
und somit die Beanspruchung im Sintergestell reduziert. Dies wird
durch einen flächigen,
zweilagigen Aufbau eines Ablageelements mit einer Oberlage und einer
Unterlage erreicht, die einen Zwischenraum zwischen sich einschließen. Das
Ablageelement ist in Auflagerichtung des Sinterprodukts in die Oberlage,
auf der das Sinterprodukt aufliegt, und die Unterlage, auf der die
Oberlage angeordnet ist, unterteilt. Der Zwischenraum lässt vorteilhaft
Gastransport zu, durch den während
einer Temperaturänderung
im Ofen das Temperaturprofil in den thermoschockgefährdeten
Gestellkomponenten vergleichmäßigt werden
kann. Mehrere derartige Ablageelemente, bestehend aus Unterlage
und Oberlage, können
durch Übereinanderstapelung
zu größeren Sintergestellen
zusammengefasst werden. Dazu können
Stützen
eingesetzt werden, die in der Unterlage eingesteckt sind und die
im Formschluss von der Oberlage gesichert werden. Die Unterlage
und die Oberlage sind vorzugsweise plattenförmig ausgebildet.
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Die
Unterlage bildet eine formstabile Aufnahme des Produktstapelgewichts,
wenn das Sinterprodukt als Stapel aufgelegt wird und ist vorzugsweise aus
Siliziumkarbid, Siliziumnitrid oder anderen keramischen Werkstoffen
mit entsprechenden mechanischen Eigenschaften bei den gewünschten
Sintertemperaturen gebildet. Typische Sintertemperaturen liegen über 1000°C, etwa um
1300°C.
Weiterhin sind Materialien mit geeigneter Beanspruchbarkeit gegen Thermoschock,
chemischer Beständigkeit
und dergleichen zweckmäßig. Ein
günstiges
Material für
die Unterlage ist z. B. rekristallisiertes Siliziumkarbid oder nitridgebundenes
Siliziumkarbid.
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Die
Oberlage bildet die Ablage für
das Sinterprodukt, etwa einen Produktstapel von Einzelteilen, und
wird von Distanzelementen und der formstabilen Unterlage gestützt. Abhängig von
seitlichen Abständen
der Distanzelemente zueinander wird die Beanspruchung durch Biegemomente
und damit die mechanischen Beanspruchungen bei den Sintertemperaturen
deutlich reduziert, so dass preiswerte Materialien wie Cordierit,
Mullit und ähnlich
keramische Werkstoffe eingesetzt werden können. Sinnvollerweise werden
Materialien eingesetzt, bei denen unerwünschte Reaktionen mit dem Sinterprodukt,
etwa unerwünschte
Phasenumwandlungen durch Aufkohlung, Carbidbildung, Nitridbildung,
Oxidation und dergleichen nicht zu befürchten sind.
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Vorzugsweise
kann die Oberlage gegen die Unterlage mit Distanzelementen abgestützt sein.
Die Distanzelemente können
kanalartige Zwischenräume
bilden, die Wärmeausgleichsvorgänge beim
Aufheizen und/oder Abkühlen
vorteilhaft unterstützen und
beschleunigen können,
sowohl innerhalb der Oberlage als auch innerhalb der Unterlage.
Eine effektive Aufheizung oder Abkühlung ist möglich, aber auch eine Vergleichmäßigung eines
dreidimensionalen Temperaturprofils sowohl innerhalb der Unterlage als
auch innerhalb der Oberlage. Dies reduziert die Thermoschockbelastung
und hilft Bruchschäden
zu vermeiden.
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Die
Distanzelemente können
stoffschlüssig mit
der Oberlage verbunden sein, vorzugsweise als integrales Bauteil.
Ebenso können
die Distanzelemente stoffschlüssig
mit der Unterlage verbunden sein, vorzugsweise als integrales Bauteil,
oder es können
die Distanzelemente auch separat von der Oberlage und der Unterlage
ausgebildet und mit der Oberlage und/oder Unterlage verbunden sein.
Ebenso können
sowohl Oberlage als auch Unterlage als integrale Bauteile mit Distanzelementen
gefertigt und zum Ablageelement zusammengesetzt sein. Als integrales
Bauteil werden Oberlage und/oder Unterlage so gefertigt, dass diese
die Funktion der Distanzelemente von der Oberlage und/oder der Unterlage
mit übernehmen
können.
Welche Variante der Fachmann wählt,
ist eine Frage der konkreten Detailkonstruktion, der Kosten und
von Fertigungsaspekten.
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Die
Distanzelemente können
punktweise Stützflächen bilden,
wobei unter punktweise auch eine Ausgestaltung als unterbrochene
längliche
Profile verstanden werden kann. In diesem Fall kann eine Gasumwälzung sowohl
quer als auch längs
der Distanzelemente erfolgen
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung können
die Distanzelemente Strömungskanäle einschließen. In
diesem Fall sind die Distanzelemente in der Art von durchgehenden,
vorzugsweise parallel zueinander angeordneten Profilen ausgebildet,
welche die Strömungskanäle begrenzen.
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Die
Strömungskanäle können in
eine beim Abkühlen
oder Aufheizen gebildete Strömungsrichtung
gerichtet sein oder auch quer zu einer beim Abkühlen oder Aufheizen gebildeten
Strömungsrichtung gerichtet
sein.
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Ein
großvolumiges
Sintergestell kann gebildet werden, wenn mehrere Ablageelemente übereinander
gestapelt sind.
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Auftretende
Spannungen können
vermindert werden, wenn wenigstens zwei Ablageabschnitte zu einem
gemeinsamen Ablageelement zusammengekoppelt sind.
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Eine
Kontamination des Sinterprodukts kann verhindert werden, wenn die
Unterlage an ihrer Außenseite
mit einer Schutzschicht beschichtet ist.
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Insgesamt
vermindert das erfindungsgemäße Sintergestell
Bruchschäden
durch Thermoschock im Sintergestell und ermöglicht eine Stapelbarkeit, Handhabbarkeit,
Transportierbarkeit, und ermöglicht unter
realen Einsatzbedingungen eine Verbesserung von Bauraum, Produktgewicht,
Produkteigenschaften sowie Sinterbedingungen.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand
eines in der Zeichnung beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiels
näher erläutert, ohne
auf dieses Ausführungsbeispiel
beschränkt
zu sein.
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Dabei
zeigen schematisch:
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1a,
b, c; im Schnitt verschiedene Ausgestaltungen eines bevorzugten
Ablageelements,
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2a,
b; verschiedene Ausgestaltungen von Distanzelementen,
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3a,
b; eine Draufsicht auf Strömungskanäle von Ablageelementen
in verschiedenen Orientierungen zu einer Strömungsrichtung,
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4 im
Schnitt ein bevorzugtes Sintergestell mit drei übereinander gestapelten Ablageelementen,
und
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5a,
b; einen Schnitt durch ein aus Abschnitten zusammengefügtes Ablageelement (5a)
und eine Draufsicht auf das Ablageelement (5b).
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In
den Figuren sind funktionell gleichartige Elemente mit gleichen
Bezugszeichen beziffert.
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Die 1a–1c verdeutlichen
in einer Schnittansicht den Aufbau verschiedener Ausgestaltungen
von bevorzugten Ablageelementen 30 eines Sintergestells 10 (4)
für einen
nicht dargestellten Sinterofen.
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Jedes
Ablageelement 30 für
ein Sinterprodukt 14 ist zweigeteilt in eine Oberlage 16,
auf der das Sinterprodukt 14 auf dessen Auflagefläche 12 aufliegt,
und eine Unterlage 18, auf der die Oberlage 16 angeordnet
ist, unterteilt. Die Unterlage 18 befindet in Auflagerichtung 24 unterhalb
der Oberlage 16. Die Oberlage 16 ist gegen die
Unterlage 18 mit Distanzelementen 20 abgestützt, so
dass Zwischenräume 22 zwischen
den Distanzelementen 20 und der Oberlage 16 und
der Unterlage 18 ausgebildet sind.
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Die
Distanzelemente 20 können
separat sowohl von der Oberlage 16 als auch der Unterlage 18 ausgebildet
sein, wie 1a zeigt. Die Distanzelemente 20 können stoffschlüssig mit
der Oberlage 16 verbunden sein, wie 1b zeigt.
Die Distanzelemente 20 können stoffschlüssig mit
der Unterlage 18 verbunden sein, wie 1c zeigt.
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Typische
Sinterprodukte 14 können
Stapel von zu sinternden Körpern
sein, etwa poröse
Sintermatten. Der Produktstapel mit dem Sinterprodukt 14 soll
außer
dem Eigengewicht keine mechanischen Belastungen erfahren. Besonders
bei Materialien, die beim Sintern weich werden, ist eine geschlossenflächige Auflage
auf dem Ablageelement 30 für das Sinterprodukt 14 möglich.
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Die
Oberlage 16 und die Unterlage 18 sind plattenförmig ausgebildet
und weisen zwei senkrecht zueinander angeordnete Hauptachsen entsprechend ihrer
in Draufsicht auf die Plattenebene waagrechten und senkrechten Kanten
auf.
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Das
Ablageelement 30 ist durch Rollenförderer, Bandförderer und/oder
Tragriemenförderer
bewegbar und kann so in den und aus dem Sinterofen bewegt werden.
Eine Handhabung durch Greifer ist ebenfalls möglich.
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2a und 2b illustrieren
zwei Ausgestaltungen, bei denen die Distanzelemente 20 kleinflächige, punktweise
Stützflächen 26 bilden.
Die Distanzelemente 20 sind gleichmäßig zwischen der Oberlage 16 und
der Unterlage 18 verteilt. Eine Gasströmung kann in allen Richtungen
durch die Zwischenräume 22 zwischen
den Distanzelementen 20 strömen. 2a zeigt
längliche
Distanzelemente 20, die in Draufsicht linienweise parallel
zueinander angeordnet und in waagrechter als auch senkrechter Richtung
voneinander beabstandet sind. 2b zeigt
beispielhaft quadratische Distanzelemente 20. Die Zwischenräume 22 sind
in diesen Beispielen relativ groß und können an möglicherweise verschiedene Strömungsrichtungen
der Gasumwälzung
angepasst werden Es kann auch eine unter Umständen gewollte Vergleichmäßigung in
Querrichtung des Gases gefördert
werden, wenn etwa das transportierte Gas im Sinterofen nicht homogen
vorliegt. Günstige Dimensionen
sind eine Höhe
der Distanzelemente 20 von 3–13 mm, bevorzugt 5–10 mm,
und eine Breite von 5–120
mm, bevorzugt 10–100
mm, besonders bevorzugt 30–70
mm, und eine Vorzugsrichtung einer Hauptgasströmung bei einer Abkühlphase.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel
in den 3a und 3b sind
die Distanzelemente 20 als lang gestreckte, ununterbrochene
Profile ausgebildet, so dass sich Strömungskanäle 28 zwischen benachbarten
Distanzelementen 20 ausbilden. 3a zeigt
eine Anordnung der Distanzelemente 20 als Draufsicht auf
eine Unterseite der Oberlage 16 mit als lang gestreckte
Profile ausgebildeten Distanzelementen 20 und parallelen
Strömungskanälen 28 zwischen
den parallelen Distanzelementen 20. Die Oberlage 16 ist
so angeordnet, dass die Strömungskanäle 28 parallel
zu einer Strömungsrichtung 32 sind.
In 3b ist die Anordnung der Oberlage 16 so gewählt, dass
die Distanzelemente 20 quer, insbesondere senkrecht zur
Strömungsrichtung 32 ausgerichtet
sind und eine Strömung
eines Mediums durch die Strömungskanäle 28 blockiert
wird. Ausführungen
wie in den 2 und 3 gezeigt,
können
auch in verschiedenen Ebenen eines Sintergestells, das einen Stapel
mit mehreren Ablageelementen 30 umfasst, kombiniert sein.
Die Orientierung der Strömungskanäle 28 kann
abhängig
von Ofenrandbedingungen eingestellt werden.
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Wenn
in einer Phase einer Temperaturänderung
beim Sintern, d. h. Aufheizen oder Abkühlen, eine natürliche oder
erzwungene Gasumwälzung über das
Sintergestell stattfindet, werden durch die Zwischenräume 22 bzw.
die Strömungskanäle 28 Wärmeausgleichsvorgänge sowohl
innerhalb der Unterlage 18 als auch innerhalb der Oberlage 16 beschleunigt,
da neben Wärmeleitung
und Wärmestrahlung,
die bekanntermaßen
vor allem bei höherer Temperatur
zum Wärmeübergang
beiträgt,
auch ein konvektiver Wärmeübergang
für Wärmeausgleichsvorgänge zur Verfügung steht,
der durch Art, Richtung, Geschwindigkeit, Druck und weitere Parameter der
Gasumwälzung
zudem steuerbar sein kann. Hierdurch wird eine effektive Aufheizung
und/oder Abkühlung
möglich.
Gleichzeitig wird ein dreidimensionales Temperaturprofil innerhalb
der Unterlage 18 und der Oberlage 16 vergleichmäßigt, so
dass die Thermoschockbelastung reduziert und Bruchschäden vermieden
werden.
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4 zeigt
eine bevorzugte Ausführung
eines Sintergestells 10, das aus mehreren, beispielhaft drei,
Ablageelementen 30, die entsprechend der vorstehenden Beschreibung
ausgebildet sind, aufgebaut ist. Die Stapelbarkeit wird durch Stützen 46 erreicht,
die einen Längsabschnitt 48 und
einen gegenüber
dem Längsabschnitt 48 verbreiterten
Fuß 50 mit einem
angesetzten Steckteil 52 aufweisen. Die Stützen 46 sind
mit ihrem Steckteil 52 in die Unterlage 18 eingesteckt
und im Formschluss von der Oberlage 16 gesichert. Das Gewicht
der Oberlage 16 im beladenen Fall mit einem Sinterprodukt 14 (1) hält
die Stützen 46 in
Position und stabilisiert den Gestellaufbau für Handhabungs- und Transportaufgaben.
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Ein
derartiges Sintergestell 10 ist vorteilhaft so ausgelegt,
dass es folgende Anforderungen erfüllt: ein Produktstapel mit
den Abmessungen von beispielsweise Breite 520 mm, Länge 850
mm, Höhe 100
mm, Gewicht des Produktstapels 45 kg. Der Produktstapel ist in Horizontalrichtung
durchgehend, d. h. es gibt keine Möglichkeit von Stützen innerhalb
der Auflagefläche
des Produktstapels. Der Produktstapel erfährt außer dem Eigengewicht keine
mechanischen Belastungen. Ein bevorzugtes Material, das als Produktstapel
aufgelegt wird und gesintert werden soll, sind poröse Sintermatten
mit einer Dicke um 0,55 mm aus hitzebeständigem Stahl. Die Sintertemperatur
liegt typischerweise um 1300°C
in Inertgasatmosphäre.
Eine maximale Aufheiz- und/oder Abkühlrate liegt um 600 K/min unter
Gasumwälzung
im Sinterofen. Das Produkt kann vorteilhaft geschlossenflächig aufgelegt
werden, da das Material bei Sintertemperatur weich wird und sich
nicht verformen darf. Die Stapelbarkeit von mindestens drei Ablageelementen 30 ist
gegeben, so dass drei derartige Produktstapel mit je 45 kg zu einem
Gestellaufbau zusammengefasst werden können. Als maximale Abmessung
in diesem Beispiel des Sintergestells 10 mit drei Ablageelementen
ist Breite 620 mm, Länge
850 mm und Höhe
398 mm. Selbstverständlich
können auch
andere geometrische Abmessungen vorgesehen sein.
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Bei
einer derartigen Stapelanordnung der Ablageelemente 30 ist
es günstig,
wenn die Unterseite jeder Unterlage 18, insbesondere wenn
diese aus Siliziumkarbid gebildet ist, mit einer Schutzschicht 38,
etwa einer oxidkeramischen Schutzschicht, beschichtet ist, um einen
direkten Kontakt des oberen Bereichs des Sinterprodukts mit der
darüber
befindlichen Unterlage 18 auszuschließen. Siliziumkarbid kann z.
B. mit hitzebeständigem
Stahl unerwünschterweise
beim Sintern Eutektika bilden.
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5a und 5b verdeutlichen
eine weitere mögliche
Ausgestaltung eines Ablageelements 30, das besonders robust
gegen auftretende Spannungen ist, wobei 5a einen
seitlichen Schnitt und 5b eine Draufsicht auf eine
Unterseite einer Unterlage 18 zeigt.
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Das
Ablageelement 30 ist aus zwei Plattenabschnitten 34, 36 zusammengesetzt,
die hier praktisch identisch ausgebildet sind. Der Aufbau jedes Abschnitts
entspricht dem bisher beschriebenen Aufbau für Ablageelemente 30.
Die Plattenabschnitte 34, 36 sind aneinandergefügt, so dass
sich ihre plattenförmigen
Oberlagen 16 beinahe berühren. Ihre Unterlagen 18 sind
mit einem brückenartigen
Verbindungselement 60 verbunden, das mit Zapfen 64a, 66a in
Ausnehmungen 44, 46 der Unterlagen 18 eingreift.
Die Brücke 62 des
Verbindungselements hält die
Plattenabschnitte 34, 36 zusammen.
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5b verdeutlicht
die Verbindung der Plattenabschnitte in Draufsicht auf die Unterseite
der Unterlage 18. Ein Verbindungselement 60 weist
auf jeder Seite der Brücke 62 zwei
Zapfen 64a, 64b bzw. 66a, 66b auf,
die entsprechend in jede Unterlage 18 der Plattenabschnitte 34, 36 eingesteckt
sind und einen Zusammenhalt der Plattenabschnitte 34, 36 gewährleisten.
Zwei Plattenabschnitte 34, 36 sind dabei von jeweils
mindestens zwei Verbindungselementen 60 zusammengehalten.
Die Verbindungselemente 60 haben in der Unterlage 18 jeweils
ein loses Spiel, so dass auftretende Spannungen im derart zusammengesetzten
Ablageelement 30 weitgehend vermindert sind.