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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von bekannten Herstellungsverfahren zur Herstellung
von Abgasreinigungskomponenten in der Kraftfahrzeugtechnik. Beispiele
derartiger Abgasreinigungskomponenten sind verschiedene Arten von
Katalysatoren oder auch Filter, insbesondere Dieselpartikelfilter
(DPF).
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Derartige
Abgasreinigungskomponenten weisen in vielen Fällen als Grundstruktur einen
keramischen Träger
auf. Dieser Träger
kann aus verschiedenen Keramikmaterialien hergestellt sein, beispielsweise
aus Siliciumcarbid, Cordierit oder ähnlichen keramischen Materialien.
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In
vielen Fällen
ist dieser keramische Träger in
Form eines keramischen Wabenkörpers
ausgebildet. Dieser keramische Wabenkörper ermöglicht zum einen eine gute
Durchströmung
der Abgasreinigungskomponente durch das zu reinigende Abgas und
bietet andererseits eine hohe Oberfläche, beispielsweise um die
katalytische Wirkung zu erhöhen. Weiterhin
ermöglicht
die Verwendung von Wabenkörpern
die Herstellung stabiler Keramikstrukturen mit gleichzeitig geringem
Gewicht. Auch andere Arten keramischer Formkörper als Formkörper mit
einer Wabenstruktur sind jedoch möglich und sind im Rahmen der
nachfolgenden Beschreibung vom Begriff „Wabenkörper" mit erfasst.
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Die
Formgebung von keramischen Wabenkörpern erfolgt in vielen Fällen großtechnisch
durch Extrudieren mit einer Strangpresse. Dabei wird zunächst eine
extrudierbare Masse aus einem keramischen Pulver, Wasser und verschiedenen
weiteren Hilfsmitteln hergestellt. Diese Masse wird dem Extruder
zugeführt.
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Im
Presskopf der Strangpresse wird der Massestrom zu einem Pfropfen
verdichtet. Das am Presskopf angebrachte feinwabige Mundstück bewirkt
einen Druckaufbau im Massestrang vor dem Mundstück. Ab einem bestimmten Druckaufbau
beginnt die Masse durch die Boh rungen beziehungsweise Öffnungen
des Mundstücks
zu fließen.
Die durch die Bohrungen gebildeten einzelnen Massestränge fließen in der
sich anschließenden
Gatterung, d. h. einer schlitzförmigen
Struktur, zu einer geschlossenen Gitterstruktur zusammen, die durch
einen Außenring
begrenzt wird.
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Die
für die
Wabenextrusion eingesetzten Mundstücke sind kostenintensive Spezialanfertigungen,
die üblicherweise
aus einer Metallplatte hergestellt werden. Insbesondere werden hierfür Draht- oder
Senkerosionsverfahren eingesetzt. Die Gatterung kann auch durch
Sägen von
Schlitzen erzielt werden.
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Durch
Reibung der keramischen Bestandteile des Massestroms kommt es jedoch
zu einem Verschleiß des
Mundstücks
(Abtragung). Dadurch nimmt die Schlitzbreite der Gatterung zu, so
dass infolge dessen die Wandstärke
des Wabenkörpers
steigt. Dadurch verändern
sich die Eigenschaften des fertigen Wabenkörpers, wie beispielsweise Gegendruck, Gewicht
etc.
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In
der Praxis muss daher nach einer bestimmten Zeit das Mundstück ausgetauscht
und überarbeitet
werden. Die erfolgt in der Regel in der Weise, dass eine Metallschicht
(zum Beispiel Nickel) galvanisch auf dem Werkzeug abgeschieden wird,
so dass die ursprüngliche
Schlitzbreite wieder erreicht wird.
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In
der Fertigung wird beispielsweise die Masse des fertigen Wabenkörpers regelmäßig überwacht.
Hat die Wandstärke
infolge des Verschleißes des
Mundstücks
derart zugenommen, dass der fertige Wabenkörper ein vorgegebenes Grenzgewicht überschreitet,
so kann die oben beschriebene Überarbeitung
durchgeführt
werden.
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Das
beschriebene Verfahren sowie die regelmäßige Überarbeitung der Mundstücke sind
in der Praxis aufwendig und teuer und erhöhen die Stückkosten der hergestellten
Wabenkörper
erheblich.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Erfindung stellt daher ein Extrusionsmundstück und ein Verfahren zur Herstellung
dieses Extrusionsmundstücks
bereit, welches die oben beschriebenen Nachteile bekannter Extrusionsmundstücke und
Verfahren weitgehend vermeidet. Das Extrusionsmundstück lässt sich
insbesondere zur Herstellung keramischer Abgasnachbehandlungseinrichtungen
der oben beschriebenen Art, beispielsweise zur Herstellung von keramischen
Wabenkörpern für Dieselpartikelfilter
oder Katalysatoren, einsetzen.
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Die
Erfindung stellt einen einfachen Lösungsansatz zur Erhöhung der
Standzeiten der Extrusionsmundstücke
und der gesamten Extrusionsanlagen beziehungsweise Strangpressen
bereit. Durch diese erhöhten
Standzeiten können
Kosten zur Überarbeitung
des Extrusionsmundstücks
reduziert werden, und die Produktionsausfälle, welche während der Überarbeitung
entstehen, können
stark vermindert werden.
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Ein
Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, das Extrusionsmundstück aus zwei
Komponenten herzustellen: einer Basisplatte mit mindestens zwei Öffnungen
und mindestens einem zwischen den Öffnungen angeordneten Steg
sowie einer Beschichtung dieser Basisplatte. Die Basisplatte kann
beispielsweise aus einem metallischen oder keramischen Basiswerkstoff
gefertigt sein, vorzugsweise aus Werkzeugstahl. Die Beschichtung, welche
auf die Basisplatte im Bereich der Öffnungen (d. h. zum Beispiel
in Umgebung der Ränder
der Öffnungen,
insbesondere auf dem Steg) angeordnet ist, weist mindestens eine
Hartstoffbeschichtung auf.
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Im
Gegensatz zu reinen Metallen, wie beispielsweise Nickel, weisen
Hartstoffe eine Vielzahl von für
die vorliegende Anwendung positiven Eigenschaften auf. Hartstoffe
sind in der Literatur in der Regel nicht über gemeinsame chemische Eigenschaften
definiert, sondern den Hartstoffen ist ein Eigenschaftsprofil gemeinsam,
wobei insbesondere die große
Härte als
charakteristische Eigenschaft der Hartstoffe zu nennen ist. Hartstoffe
weisen üblicherweise
eine Vickers-Härte
von mindestens 1000 auf. Weiterhin weisen Hartstoffe in der Regel
hohe Schmelzpunkte und eine hohe chemische Beständigkeit auf.
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Grundsätzlich wird
zwischen metallischen und nicht metallischen Hartstoffen unterschieden. Dabei
sind metallische Hartstoffe elektrische Leiter, nicht metallische
Hartstoffe hingegen nicht Nichtleiter. Beispiele für nicht
metallische Hartstoffe sind Diamant, kubisches Bornitrid, Borcarbid,
Siliciumcarbid, Korund oder Siliciumnitrid. Beispiele für metallische
Hartstoffe sind Titancarbid, Tantalcarbid, Titannitrid oder Wolframcarbid.
In der Praxis hat sich dabei für
die vorliegende Erfindung insbesondere die Verwendung von Wolframcarbid
(WC) als günstig
erwiesen, welches einen Schmelzpunkt von ca. 2900°C aufweist
und eine Vickers-Härte
von 2400. Allgemein sind insbesondere metallische Hartstoffe für die vorliegende
Erfindung gut geeignet.
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Metallische
Hartstoffe lassen sich insbesondere als strukturell geordnete Einlagerungsmischkristalle
bezeichnen, also geordnete Einlagerungsstrukturen mit intermetallischen
Phasen.
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Weiterhin
lassen sich auch Hartstoff-Mischkristalle, wie beispielsweise Titancarbid-Wolframcarbid, Titancarbid-Tantalcarbid-Wolframcarbid,
Titancarbid-Titannitrid oder ähnliche
Mischkristalle vorteilhaft einsetzen.
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Allgemein
können
jedoch beispielsweise Nitride, Carbide, Oxide, Boride oder Phosphide
oder auch andere Verbindungen zum Einsatz kommen.
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Vorteilhaft
ist es dabei, wenn die Hartstoffbeschichtung eine Dicke von mindestens
0,2 mm aufweist. Aus praktischen Gründen haben sich Maximaldicken
von ca. 2,0 mm als vorteilhaft erwiesen.
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Besonders
bevorzugt für
die vorliegende Anwendung der Keramik-Extrusion sind Hartstoffbeschichtungen
mit einer Vickers-Härte
von mindestens 1500. Die oben beschriebenen Hartstoffe, insbesondere
metallische Hartstoffe, sind für
diesen Zweck gut geeignet.
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Zum
Aufbringen der Hartstoffbeschichtung lassen sich verschiedene aus
dem Stand der Technik bekannte Verfahren einsetzen. Insbesondere
sind hier die Chemical Vapor Deposition (CVD), die Physical Vapor
Deposition (PVD), Randschichthärten,
galvanische Verfahren, thermisches Spritzen, Auftragsschweißen, Plattieren
oder ähnliche
Verfahren zu nennen.
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Durch
die Hartstoffbeschichtung, insbesondere eine Wolframcarbidschicht,
ist der zeitliche Abtrag am Werkzeug beziehungsweise Extrusionsmundstück durch
den fließenden
Keramik-Massestrang deutlich geringer als ohne zusätzliche "Schutzschicht" im Austrittsbereich
des Werkzeugs.
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Dabei
hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Extrusionsmundstück asymmetrisch
aufgebaut ist. Dieser asymmetrische Aufbau beruht auf der Erkenntnis,
dass eine gleichförmige
Beschichtung mit Hartstoff für
den beschriebenen Zweck nicht erforderlich ist. Daher kann vorteilhaft
das Extrusionsmundstück
derart aufgebaut sein, dass dieses beziehungsweise die Basisplatte
eine Anströmseite und
eine Abströmseite
aufweist. Auf der Anströmseite,
welche im eingebauten Zustand dem Inneren des Presskopfes der Strangpresse
zuweist, kann das Extrusionsmundstück beziehungsweise die Basisplatte unbeschichtet
bleiben. Abtragungen in diesem Bereich, welcher insbesondere aus
Werkzeugstahl gefertigt sein kann, können toleriert werden.
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Die
Abströmseite
hingegen, welche für
die Formgebung des Wabenkörpers
wesentlich verantwortlich ist, ist vorteilhaft mit der beschriebenen
Hartstoffbeschichtung beschichtet.
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Diese
einseitige Beschichtung bietet insbesondere herstellungstechnisch
den Vorteil, dass einfache, anisotrope Beschichtungsverfahren zum
Aufbringen der Hartstoffbeschichtung eingesetzt werden können. Dies
wiederum verringert die Kosten der Herstellung der beschriebenen
Extrusionsmundstücke
erheblich.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
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Es
zeigen
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1 eine
bekannte Anordnung einer Abgasnachbehandlungseinrichtung in einem
Abgasstrang einer Brennkraftmaschine;
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2 einen
keramischen Wabenkörper
für den
Einsatz in der Abgasnachbehandlungseinrichtung in 1;
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3A und 3B verschiedene
Ansichten eines herkömmlichen
Extrusionsmundstücks
zur Herstellung keramischer Wabenkörper; und
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4 eine
der Darstellung in 3B entsprechende Darstellung
eines erfindungsgemäßen Extrusionsmundstücks mit
einer Hartstoffbeschichtung.
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In
den 1 und 2 sind Beispiele bekannter Abgasnachbehandlungseinrichtungen
dargestellt, die den Bedarf an zuverlässig und kostengünstig herstellbaren
keramischen Formkörpern
erläutern.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer
erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung.
Die Abgasnachbehandlungseinrichtung ist in diesem Ausführungsbeispiel
ein Filter, in welchem Rußpartikel
aus dem Abgasstrom entfernt werden, z. B. ein Dieselpartikelfilter
(DPF).
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Eine
Brennkraftmaschine 10 ist über ein Abgasrohr 12 verbunden,
in dem eine Filtereinrichtung 14 angeordnet ist. Mit der
Filtereinrichtung 14 werden Rußpartikel aus dem im Abgasrohr 12 strömenden Abgas
herausgefiltert. Dies ist insbesondere bei Dieselkraftmaschinen
erforderlich, um gesetzliche Bestimmungen einzuhalten.
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Die
Filtereinrichtung 14 umfasst ein zylindrisches Gehäuse 16,
in dem ein im vorliegenden Ausführungsbeispiel
rotationssymmetrisches, insgesamt ebenfalls zylindrisches Filterelement 18 angeordnet ist.
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Das
zylindrische Filterelement 18 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel
im Wesentlichen als keramischer Wabenkörper ausgestaltet. 2 zeigt ein
derartiges Filterelement 18 im Längsschnitt.
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Das
Filterelement 18 ist zum Beispiel als extrudierter Formkörper aus
einem keramischen Material, zum Beispiel Magnesium-Aluminium-Silikat,
bevorzugt Cordierit, hergestellt. Das Filterelement 18 wird
in Richtung der Pfeile 20 von Abgas durchströmt. Das
Abgas tritt über
eine Eintrittsfläche 22 in das
Filterelement 18 ein und verlässt dieses über eine Austrittsfläche 24.
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Parallel
zu einer Langsachse 26 des Filterelementes 18 verlaufen
mehrere Eintrittskanäle 28 im Wechsel
mit Austrittskanälen 30.
Die Eintrittskanäle 28 sind
an der Austrittsfläche 24 verschlossen.
In der hier dargestellten Ausführungsform
sind hierzu Verschlussstopfen 36 vorgesehen. Anstelle der
Verschlussstopfen 36 ist es jedoch auch möglich, dass die
Eintrittskanäle 28 sich
zur Austrittsfläche 24 hin verjüngen, bis
sich die Wandungen des Eintrittskanals 28 berühren und
der Eintrittskanal 28 auf diese Weise verschlossen wird.
In diesem Fall weist der Eintrittskanal 28 in Richtung
parallel zur Längsachse 26 einen
dreieckförmigen
Querschnitt auf.
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Entsprechend
sind die Austrittskanäle 30 an der
Austrittsfläche 24 offen
und im Bereich der Eintrittsfläche 22 verschlossen.
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Der
Strömungsweg
des ungereinigten Abgases führt
somit in einen der Eintrittskanäle 28 und
von dort durch eine Filterwand 38 in einen der Austrittskanäle 30.
Exemplarisch ist dies durch die Pfeile 32 dargestellt.
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Zur
Herstellung des als Wabenkörper
ausgebildeten Filterelements 18 gemäß dem in 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel
wird, wie oben erwähnt,
in der Regel ein Strangextrusionsverfahren eingesetzt. Dabei werden
Extrusionsmundstücke eingesetzt,
welche bei der Extrusion die Unterteilung in die Kanäle 28, 30 und
die Filterwände 38 bewirken.
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In
den 3A und 3B ist
ein dem Stand der Technik entsprechendes Extrusionsmundstück 110 dargestellt.
Dabei zeigt 3A das Extrusionsmundstück 110 in
Draufsicht, während 3B einen Teilschnitt
in horizontalen Richtung durch einen beispiels weise mittig angeordneten
Bereich des Extrusionsmundstücks 110 zeigt.
Das Extrusionsmundstück 110 wird
zur Herstellung keramischer Wabenkörper, wie beispielsweise dem
in 2 gezeigten Filterelement 18, in Strangpressen
eingesetzt.
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Das
Extrusionsmundstück 110 weist
einen Rahmen 112 auf (siehe 3A), welcher
eine runde Extrusionsöffnung 114 aufweist.
In den Rahmen 112 ist eine Basisplatte 116 eingespannt.
Wie in 3B zu erkennen ist, weist diese
Basisplatte 116 eine Vielzahl von Öffnungen 118 auf.
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Wie
aus 3A ersichtlich, haben diese Öffnungen 118 in diesem
Ausführungsbeispiel
einen quadratischen Querschnitt. Mit dem in 3A dargestellten
Extrusionsmundstück 110 lasst
sich also insgesamt beispielsweise ein runder keramischer Wabenkörper mit
quadratischen Kanälen
gemäß dem Beispiel
in 2 herstellen. Die Öffnungen 118 lassen
sich beispielsweise durch ein Erosionsverfahren in einer Werkzeugstahlplatte
herstellen. Die einzelnen Öffnungen 118 sind
durch zwischen den Öffnungen
angeordnete Stege 119 voneinander getrennt. Die einzelnen Öffnungen 118 begrenzen
Kanäle,
die jeweils einen hydraulischen Durchmesser von etwa 1 mm aufweisen.
Die Dicke der Basisplatte 116 wird typischerweise in Abhängigkeit
vom Durchmesser des Wabenkörpers
gewählt.
die Stege 119 zwischen den einzelnen Öffnungen 118 weisen
eine Breite zwischen 3 und 20 mil (milli-inches) auf, d. h. Breiten zwischen
3 × 1/1000 × 254 mm
und 30 × 1/1000 × 254 mm
auf. Je nach Einsatzzweck des Wabenkörpers kann die Stegbreite,
zum Beispiel im Einsatz als Katalysator, zwischen 4 und 6 mil (milli-inches)
liegen, d. h. zwischen 4 × 1/1000 × 254 mm
und 6 × 1/1000 × 254 mm
liegen. Wird der Wabenkörper
bei Filtern eingesetzt, so kann die Stegbreite ≥ 10 mil (milli-inches) betragen,
d. h. > 10 × 1/1000 × 254 mm gewählt werden.
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Bei
der Extrusion durch das Extrusionsmundstück 110 gemäß der 3A fließt in der
dargestellten Gatterung der Massestrang nach Durchtritt durch das
Extrusionsmundstück 110 zu
einer geschlossenen Gitterstruktur zusammen. Dabei ist in 3B die
Fließrichtung
des Massestrangs mit der Bezugsziffer 120 bezeichnet. Dementsprechend weist
das Extrusionsmundstück 110,
insbesondere die Basisplatte 116, eine Anströmseite 122,
welche der Fließrichtung 120 entgegenweist,
und eine Abströmseite 124 auf.
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Das
in 3A und 3B dargestellte
Extrusionsmundstück 110 weist
die oben beschriebenen Nachteile hinsichtlich eines Verschleißes auf. Durch
den Verschleiß ändert sich
insbesondere auf der Abströmseite 124 die
Breite der Öffnungen 118, so
dass die Breite der Einzelstränge,
welche durch diese Öffnungen 118 gedrückt werden,
mit der Zeit zunimmt. Dadurch steigt auch das Gesamtgewicht des
erzeugten Wabenkörpers,
und die Wanddicke der keramischen Wände des Wabenkörpers verändert sich.
Damit verändert
sich auch das Durchtrittsverhalten der erzeugten Abgasreinigungskomponenten,
beispielsweise der Filter oder Katalysatoren, da der Durchtrittsweg
durch die Filterwände 38 (siehe Pfeile 32 in 2)
sich verändert.
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In 4 ist
hingegen eine der 3B entsprechende Schnittdarstellung
eines erfindungsgemäßen Extrusionsmundstücks 110 dargestellt.
Das Extrusionsmundstück 110 kann
insbesondere beispielsweise wie in 3A dargestellt
aufgebaut sein. Wiederum weist das Extrusionsmundstück 110 eine Basisplatte 116 mit Öffnungen 118 und
Stegen 119 auf.
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Im
Gegensatz zu 3B ist die Basisplatte 116,
welche beispielsweise wiederum aus Werkzeugstahl hergestellt ist,
jedoch in diesem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
mit einer Hartstoffbeschichtung 126 versehen. Diese Hartstoffbeschichtung 126 ist
in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel
lediglich auf der Abströmseite 124 der
Basisplatte 116 aufgebracht. Dadurch wird der Verschleiß in diesem
Bereich vermindert. Die Breite der Öffnungen 118 im Bereich
der Abströmseite 124 definiert
die Strangbreite der durch die Öffnungen 118 gepressten Einzelstränge, so
dass die Verminderung des Verschleißes durch die Hartstoffbeschichtung 126 zu
einer reproduzierbaren und konstanteren Strangbreite führt.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
handelt es sich bei der Hartstoffbeschichtung 126 um eine
Wolframcarbid-Beschichtung. Diese Wolframcarbid-Beschichtung weist
vorzugsweise eine Dicke d von 0,2 bis 2 mm auf. Auch dünnere oder
dickere Beschichtungen sind jedoch möglich.
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Zum
Aufbringen der Hartstoffbeschichtung 126 kann beispielsweise
im rahmen einer (seltener als im Stand der Technik erforderlichen) Überarbeitung
des Mundstücks 110 die
Basisplatte 116 dem Rahmen 112 entnommen werden
und in eine Beschichtungsvorrichtung verbracht werden. Auch vor der
erstmaligen Benutzungsaufnahme wird dies in der Regel erfolgen.
Dabei kann beispielsweise eines der oben beschriebenen anisotropen
Beschichtungsverfahren eingesetzt werden, um gezielt die Hartstoffbeschichtung 126 lediglich
auf der Abströmseite 124 des
Extrusionsmundstücks 110 aufzubringen, während die
Innenseiten der Öffnungen 118 und
Stege 119 sowie die Anströmseite 122 unbeschichtet bleibt.
Beispielsweise lassen sich zu diesem Zweck Sprühverfahren oder ähnliche
Verfahren einsetzen.