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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers für eine Abgasbehandlungsvorrichtung.
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Derartige
gasdurchlässige
und von Abgas durchströmte
Hohlkörper
werden z. B. in Partikelfiltern für Verbrennungsmaschinen eingesetzt.
Als Substrat für
den Hohlkörper
haben sich Metallschaumplatten bewährt, da diese neben der erforderlichen
Gasdurchlässigkeit
und der geforderten thermischen Stabilität auch ein geringes Gewicht
besitzen und sich gut mit katalytisch wirkenden Materialien versehen
lassen. Nachteilig bei diesen Metallschäumen ist jedoch, daß sie spröde sind,
was die Formgebung für
den Hohlkörper
erschwert.
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Die
Erfindung stellt einen Weg vor, aus Substratplatten aus einem porösen Substrat
auf einfachem Weg einen Hohlkörper
zu fertigen.
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Hierbei
werden zur Herstellung eines Hohlkörpers aus einem porösen, gasdurchlässigen Substrat
für eine
Abgasbehandlungsvorrichtung wenigstens eine flächige Substratplatte sowie
ein Wickelkörper
bereitgestellt. Die Substratplatte wird auf den Wickelkörper unter
plastischer Verformung aufgewickelt, woraufhin der Wickelkörper entfernt
wird. Es hat sich herausgestellt, daß ein Verformen der Substratplatte
möglich
ist, wenn gleichbleibende Verformungskräfte und Verformungsradien eingehalten werden.
Dies wird erfindungsgemäß einfach
durch die Verwendung des Wickelkörpers
erreicht, der den festen Radius und bei entsprechender Führung auch die
feste Verformungskraft garantiert.
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Als
poröses
Substrat kann z. B. ein Metallschaum, ein Metallschwamm, eine metallische
Hohlkugelstruktur oder allgemein ein poröses Metall verwendet werden.
Bei derartigen Werkstoffen bildet das Metall eine Gitter- oder eine
Zellenstruktur mit einer Porengröße vom Mikrometerbereich
bis zu einigen Millimetern, wobei typischerweise 80% oder mehr des
Materials durch Hohlräume
gebildet ist. Derartige Metallschäume werden beispielsweise durch
Aufschäumen
einer Metallschmelze, Sintern von geeigneten Metallpulvern oder
Erhitzen von mit geeigneten Treibmitteln versehenen Metallpulvern erzeugt.
Metallschwämme
lassen sich beispielsweise auf der Grundlage von mit Metallpulver
behandelten Precursor-Schäumen
aus Kunststoff in einem Sinterprozeß herstellen. Alternativ ist
auch eine Vliesmatte, z. B. aus Fasern aus einem Keramikmaterial
oder Siliziumkarbid, als poröses
Substrat geeignet.
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Um
die Handhabung zu vereinfachen, wird die Substratplatte vorzugsweise
vor dem Wickeln am Wickelkörper
arretiert.
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Eine
besonders gleichmäßige Kraftverteilung
läßt sich
erreichen, indem die Substratplatte an einer vom Wickelkörper separaten
Gegenfläche
angeordnet wird, wobei beim Wickelvorgang eine Relativbewegung zwischen
dem Wickelkörper
und der Gegenfläche
erfolgt. Durch Verwendung einer Gegenfläche sind Andruckkraft und Verformungsradius beim
Wickeln exakt vorgebbar, so daß Ausschuß weitgehend
vermieden werden kann.
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Für eine exakte
Positionierung bietet es sich an, die Substratplatte an der Gegenfläche gegen
Verschieben zu fixieren.
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Das
Fixieren kann z. B. durch Pins erfolgen, die am Umfang der Substratplatte
anliegen.
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Vorzugsweise
ist die Gegenfläche
eine im wesentlichen ebene Unterlage. Sie könnte aber auch eine gewisse
Krümmung
aufweisen, um eine entsprechend vorgeformte Substratplatte aufzunehmen, wodurch
der erforderliche Biegeradius reduziert werden könnte.
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In
der Gegenfläche
können
geeignete Strukturen ausgebildet sein, die die Formgebung des Hohlkörpers in
bestimmten Regionen beeinflussen, z. B. Stege oder Rillen, die dafür sorgen,
daß die Substratplatte
an vorbestimmten Stellen stärker
oder weniger stark komprimiert wird.
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Es
ist möglich,
zur Bildung des Hohlkörpers mehrere
Substratplatten zu verwenden, die auf den Wickelkörper aufgewickelt
werden. Das Aufwickeln erfolgt dabei in einem einzigen Arbeitsschritt,
und die mehreren Substratplatten bilden nachher einen einzigen Hohlkörper. Dabei
werden die Substratplatten vorzugsweise in Wickelrichtung nacheinander
aufgewickelt, ohne daß der
Wickelprozeß unterbrochen werden
müßte.
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Hierzu
können
die Substratplatten vor dem Wickeln auf der Gegenfläche so angeordnet
werden, daß sich
Randbereiche benachbarter Substratplatten überlappen.
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Beim
Aufwickeln der Substratplatten auf den Wickelkörper lassen sich die überlappenden
Randbereiche miteinander verpressen. Durch die Verpressung der Randbereiche
verhaken sich die Oberflächenstrukturen
der Substratplattenabschnitte, z. B. Porenränder des Metallschaums oder
lose Faserenden, nach Art eines Klettverschlusses ineinander, so daß sich eine
feste Verbindung zwischen den überlappenden
Randbereichen ergibt. Bei diesem Verfahren lassen sich also in einem
Arbeitsschritt sowohl die Verbindung der verschiedenen Substratplatten
eines Zuschnitts wie auch die Formgebung der Substratplatten zum
endgültigen
Hohlkörper
erreichen, was das Verfahren sehr zeitsparend macht.
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Natürlich können nicht
nur Abschnitte separater, benachbarter Substratplatten miteinander
verpreßt
werden, sondern auch das Ende des entstehenden Wickels mit dem darunterliegenden
Abschnitt der Substratplatte, um den Hohlkörper zu schließen. Auch
das Schließen
des Hohlkörpers
läßt sich
dabei im gleichen Arbeitsgang wie die Formgebung durch das Wickeln
verwirklichen.
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Vorteilhaft
wird der Wickelkörper
auf einer vorbestimmten Bahn entlang der Gegenfläche geführt, so daß sich beim Wickeln die vorbestimmte Form
des Hohlkörpers
ergibt.
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Um
sowohl den Biegeradius als auch die Anpreßkraft exakt zu bestimmen,
wird der Wickelkörper bevorzugt
in festgelegter Höhe über der
Gegenfläche geführt.
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In
einem Überlappungsbereich,
in dem Substratplattenabschnitte übereinanderliegen, kann der Abstand
des Wickelkörpers
von der Gegenfläche
gegenüber
einem Abstand in den Bereichen, in denen sich die Substratplatten
nicht überlappen,
verändert sein.
Hierdurch wird dem Zusammenpressen der Überlappungsbereiche zur Verbindung
einzelner Abschnitte der Substratplatten Rechnung getragen. Diese
Veränderung
des Abstands kann sowohl im Überlappungsbereich
benachbarter, separater Substratplatten als auch in den Endbereichen
einer einzigen Substratplatte zum Schließen des Hohlkörpers erfolgen.
Es ist möglich, den
Abstand zu verringern oder auch zu vergrößern, je nach dem zu erreichenden
Anpreßdruck,
der für
das Verbinden der Überlappungsbereiche
benötigt
wird.
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Zur
Erzeugung einer möglichen
Form für
den Hohlkörper
weist die Substratplatte oder eine Anordnung mehrerer Substratplatten
die Form eines abgerollten Kegelstumpfs auf.
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In
Verbindung mit einem Wickelkörper
in Form eines Kegelstumpfes läßt sich
so auf einfache Weise ein kegelstumpfförmiger Hohlkörper schaffen, der
sich gut in Abgasbehandlungsvorrichtungen einsetzen läßt.
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Der
Hohlkörper
kann auch aus mehreren übereinander
liegenden Substratplatten gewickelt werden. Dabei bilden die Substratplatten
mehrere Lagen in einem schneckenartigen Wickel. In einem Umfangsabschnitt
des Hohlkörpers
können
dann, z. B. bei einer dreilagigen Struktur, insgesamt sechs Abschnitte
der Substratplatten übereinanderliegen. Alternativ
können
die Überlappungsbereiche
der einzelnen Lagen auch entlang des Umfangs des Hohlkörpers gegeneinander
versetzt angeordnet sein.
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Die
Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Herstellung eines Hohlkörpers nach
einem der oben beschriebenen Verfahren, bei der ein über einer Gegenfläche in einer
vorbestimmten Bahn geführter, drehbar
gelagerter Wickelkörper
vorgesehen ist, der zum Aufwickeln wenigstens eines Zuschnitts aus
einer Substratplatte dient.
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Vorzugsweise
ist das erste Ende des Wickelkörpers
an einem Schwenkpunkt fixiert, woraus sich eine einfache Handhabung
und eine sichere Führung des
Wickelkörpers
ergeben.
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Um
Andruckkraft und Biegeradius der Substratplatte während des
Aufwickelns exakt bestimmen zu können,
ist bevorzugt eine Verstelleinrichtung vorgesehen, mit der der Abstand
des Wickelkörpers
zur Gegenfläche
während
des Wickelns verstellbar ist.
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Hierzu
kann der Wickelkörper
an wenigstens einem Ende in einer Kulissenführung geführt sein, was auch den Vorteil
hat, daß die
Bahn, die der Wickelkörper
beschreibt, exakt vorbestimmt und genau reproduzierbar ist.
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Vorzugsweise
weist die Kulissenführung
Abschnitte mit unterschiedlicher Distanz von der Gegenfläche auf,
was es ermöglicht,
gerade in den Überlappungsbereichen
den Abstand zwischen Wickelkörper
und Gegenfläche
zu vergrößern bzw. zu verringern,
um die gewünschte
Anpreßkraft
zum Verbinden der Überlappungsabschnitte
aufzubringen.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen. In diesen
zeigen:
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1 schematisch
eine Schnittansicht einer Abgasbehandlungsvorrichtung mit einem
erfindungsgemäß hergestellten
Hohlkörper;
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2 eine
schematische perspektivische Ansicht eines mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
gefertigten Hohlkörpers;
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3 eine
schematische Detailansicht der Wand eines mehrlagigen Hohlkörpers;
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4 schematisch
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Fertigen eines Hohlkörpers
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren;
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5 schematisch
einen Abschnitt einer Verstelleinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in Seitenansicht;
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6 und
schematisch eine andere Variante einer Versteileinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in Seitenansicht;
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7 eine
schematische Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung
beim Wickeln eines Hohlkörpers;
und
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8 schematisch
einen Ausschnitt aus einer Gegenfläche einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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1 zeigt
zur Erläuterung
den Aufbau einer Abgasbehandlungsvorrichtung 100 einer
Verbrennungsmaschine, z. B. eines Rußpartikelfilters für einen
Dieselmotor. Zwei ineinandergeschaltete, von Abgas durchströmte Hohlkörper 11 sind
in einem an gegenüberliegenden
Enden offenen Gehäuse 120 aus
einem gasundurchlässigem
Material so aufgenommen, daß das
Abgas wenigstens eine Wand des Hohlkörpers 11 durchströmen muß, um das
Gehäuse 120 zu
passieren.
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Der
näher in
den 2 und 3 gezeigte Hohlkörper 11 besteht
im wesentlichen aus einem gasdurchlässigen Substrat, das hier durch
einen Metallschaum, gebildet ist. Der Begriff „Metallschaum" hat sich im allgemeinen
Sprachgebrauch des Fachwelt für
alle Arten poröser
Metalle eingebürgert,
unabhängig
davon, ob es sich physikalisch korrekt tatsächlich um Schäume mit
einer zellulären
Struktur mit offenen oder geschlossenen Poren handelt oder ob das
Material eher eine Schwammstruktur mit einem Gitternetz aus Stegen
aufweist. Auch Strukturen aus zusammengesinterten Mikrokugeln werden
in diesem Sinn als „Metallschaum" bezeichnet. Im vorliegenden
Beispiel handelt es sich bei den Metallschaumplatten um Platten
aus einem Metallschwamm. Andere Arten von „Metallschäumen" könnten
aber ebenfalls eingesetzt werden.
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Der
Metallschaum liegt als Rohmaterial in Form von dünnen, ebenen Platten, z. B.
mit einer Dicke von ca. 1–10
mm, vor.
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In 4 ist
eine Vorrichtung 10 für
die Herstellung des Hohlkörpers 11 gezeigt.
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Ein
drehbar gelagerter Wickelkörper 12,
hier in Form eines Kegelstumpfes, ist an einem Ende über eine
Achse 14 an einem Schwenkpunkt 16 auf einer Gegenfläche 18 befestigt.
Das andere Ende 20 der Achse 14 des Wickelkörpers 12 ist
in einer ebenfalls an der Gegenfläche 18 befestigten
Kulissenführung 22 (siehe 5)
geführt.
Die Kulissenführung 22 gibt auf
der Gegenfläche 18 eine
Bahn 23, hier entlang eines Kreissegments, vor.
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Auf
der Gegenfläche 18,
die in diesem Fall eine ebene Fläche
bildet, aber auch eine an den Hohlkörper 11 angepaßte Krümmung aufweisen könnte, sind
eine oder mehrere, hier drei, Zuschnittsabschnitte aus ebenen Substratplatten 24, 24', 24'' ausgelegt. Die Anordnung und der
Zuschnitt der Substratplatten 24, 24', 24'' entspricht für den hier zu formenden Hohlkörper 11 einem
abgerollten Kegelstumpf.
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Die
einzelnen Substratplatten 24, 24', 24'' sind
mit einer gewissen Überlappung
zunächst
locker aufeinandergelegt, so daß ein Überlappungsbereich 26 zwischen
benachbarten Substratplatten 24, 24' bzw. 24', 24'' besteht.
Der Überlappungsbereich 26 kann
wenige Millimeter bis wenige Zentimeter betragen. Dabei liegt in
Wickelrichtung W gesehen der Rand 28 der in 4 jeweils
unteren Substratplatte 24, 24' über dem (gestrichelt gezeigten)
Rand 30 der benachbarten Substratplatte 24', 24''.
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Im
Bereich der Überlappungen 26 weist
die Gegenfläche 18 Strukturen 27 in
Form von in Radialrichtung r verlaufenden Rillen und Stegen auf,
die die Dicke der Wand des Hohlkörpers 11 während des Aufwickelns
in diesem Bereich festlegen. Dies ist beispielhaft in 8 gezeigt.
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Um
ein Verrutschen der Substratplatten 24, 24', 24'' auf der Gegenfläche 18 zu
verhindern, sind Positionierungspins 32 vorgesehen, von
denen aus Gründen
der Übersichtlichkeit
in 4 nur einige mit Bezugszeichen versehen sind.
Diese Positionierungspins 32 sind auf der Gegenfläche 18 feststeckbar
und frei positionierbar, so daß variable
Größen von
Substratplatten 24 einfach in der Vorrichtung 10 verarbeitet
werden können.
Generell sind aber auch andere mehr oder weniger variable Befestigungsmittel
zum Positionieren der Substratplatten 24, 24', 24'' einsetzbar.
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Der
Wickelkörper 12 ist
in seiner Form so an den Hohlkörper 11 angepaßt, daß seine
Außenoberfläche der
zu bildenden Innenoberfläche
des Hohlkörpers 11 entspricht.
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Zum
Herstellen des Hohlkörpers 11 wird
der Wickelkörper 12 entlang
seiner vorbestimmten Bahn über
die Gegenfläche 18 geführt und
dabei abgerollt.
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Der
dem Wickelkörper 12 zugewandte
Rand der ersten Substratplatte 24 ist am Wickelkörper 12 befestigt,
bevorzugt an dessen Außenoberfläche, z. B.
durch Feststecken.
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Die
Kulissenführung 22 gibt
die Bahn des Wickelkörpers 12 und,
zusammen mit den Strukturen 27, den vertikalen Abstand
zwischen dem Wickelkörper 12 und
der Gegenfläche 18 entlang
jedes Punktes der Bahn zusammen mit der Schwenkachse im Schwenkpunkt 16 exakt
vor (5). Auf diese Weise wirkt stets eine vorbestimmte
Anpreßkraft
auf die Substratplatte 24, und die Verformung geschieht
bei vorgegebener Kraft mit einem fest vorgegebenen Biegeradius.
Eine andere Variante der Kulissenführung 22 ist in 6 gezeigt.
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Erreicht
der Wickelkörper 12 einen Überlappungsbereich 26,
so werden die in diesem Bereich übereinanderliegenden
Substratplatten 24 zusammengepreßt, wobei sie sich im Überlappungsbereich 26 mit
den Oberflächenstrukturen,
z. B. den Stegen zwischen den Poren, nach Art eines Klettverschlusses
ineinander verhaken und sich dauerhaft miteinander verbinden. Bei Überrollen
des Überlappungsbereichs 26 durch
den Wickelkörper 12 wird
während des
Herstellens der Verbindung zwischen den benachbarten Platten gleichzeitig
der entstehende Verbund gebogen und auf den Wickelkörper 12 aufgewickelt
(7). Die Verformung der Substratplatten 24, 24', 24'' kann durch entsprechend angeordnete
Führungen 40 unterstützt werden.
Es hat sich gezeigt, daß auf
diese Weise trotz der Sprödigkeit
der Substratplatten 24, 24', 24'' ein
fehlerfreier Hohlkörper 11 geformt
werden kann.
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Im
gezeigten Beispiel ist der Abstand d2 der Bahn 23 zur
Gegenfläche 18 und
damit auch der Abstand des Wickelkörpers 12 zur Gegenfläche 18 im Überlappungsbereich 26 größer als
der Abstand d1 in einem Nichtüberlappungsbereich.
Hierdurch wird der erhöhten
Dicke der übereinanderliegenden
Substratplatte 24 Rechnung getragen, die durch das Zusammenpressen
nur zu einem bestimmten Maß komprimiert
werden sollen. Es wäre
auch möglich,
keine Höhenänderung
vorzunehmen oder aber den Abstand d2 sogar
kleiner zu machen als den Abstand d1.
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Am
Ende der ersten Umdrehung des Wickelkörpers 12 wird der
am Wickelkörper 12 befestigte Überlappungsbereich 26 der
ersten Substratplatte 24 mit den Überlappungsbereichen 26 der
ersten und der darauffolgenden Substratplatte 24' verpreßt.
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Im
weiteren Verfahren werden die anschließenden Substratplatten 24', 24'' schneckenartig in mehreren Lagen
aneinander anliegend aufgewickelt (siehe 3).
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Hat
der Wickelkörper 12 das
Ende der Bahn auf der Gegenfläche 18 erreicht,
beginnt sich der Überlappungsbereich 26 der
vorletzten Substratplatte 24' mit
dem zweiten Überlappungsbereich 26 der letzten
Substratplatte 24'' zu überlappen,
wobei es auch hier während
des Wickelns zu einem Zusammenpressen und somit zum Schließen des
Hohlkörpers 11 kommt.
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Der
Abstand der Bahn 23 zur Gegenfläche 18 erhöht sich
entsprechend der sich vergrößernden Dicke
des Wickels auf dem Wickelkörper 12 (nicht dargestellt).
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Die
einzelnen Substratplatten 24, 24', 24'' weisen
hier unterschiedliche Porositäten
und auch unterschiedliche Dicken auf. Dabei ist die später im Hohlkörper 11 zuinnerst
liegende Substratplatte 24 die dünnste, während die später ganz
außen
liegende Substratplatte 24'' die größte Dicke
aufweist. Natürlich
könnte
auch eine andere Verteilung gewählt werden.
Genauso können
auch gleich dicke Substratplatten mit unterschiedlichen oder gleichen
Porositäten
verwendet werden.
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Die
Abmessungen der einzelnen Substratplatten 24, 24', 24'' sind so gewählt, daß ihre Länge jeweils einer Umdrehung
des Wickelkörpers 12 entspricht.
Dadurch liegen alle verpreßten Überlappungsbereiche 26 im
fertigen Hohlkörper 11 übereinander,
wie dies in 3 schematisch dargestellt ist. Selbstverständlich kann
auch eine beliebige andere Anordnung der Überlappungsbereiche 26 entlang des Umfangs
des Hohlkörpers 11 gewählt werden. Insbesondere
müssen
sich die Substratplatten 24, 24', 24'' nicht
selbst überlappen.
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Sowohl
am Innen- als auch am Außenumfang
des Hohlkörpers 11 schließen die
Substratplatten 24, 24', 24'' jeweils
ohne Stufen oder Lücken
aneinander an, so daß sich
eine glatte Oberfläche
ergibt.
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Nach
Fertigen des Hohlkörpers 11 wird
der Wickelkörper 12 an
einem oder an beiden Enden gelöst,
und der fertige Hohlkörper 11 bzw.
der Wickelkörper 12 wird
entnommen. Die Vorrichtung 10 ist nun bereit für die Fertigung
eines weiteren Hohlkörpers.
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Natürlich kann
in der Vorrichtung 10 auch ein Hohlkörper 11 hergestellt
werden, der nur aus einer einzigen Substratplatte 24 besteht
(siehe 2).
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Auch
ist die Form des Hohlkörpers 11 nicht auf
die eines Kegelstumpfes beschränkt,
sondern es können
beliebige Formen hergestellt werden, die sich auf einen Wickelkörper abbilden
lassen, z. B. ein Zylinder.
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Der
Wickelkörper 12 ist
vorzugsweise an beiden Enden in einer Führung geführt, wobei die Achse 14 vor
dem Schwenkpunkt 16 ebenfalls in einer Kulissenführung läuft, so
daß die
Höhe über der
Gegenfläche 18 stets
genau bestimmt ist.
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Die Überlappungsbereiche 26 können statt als
rechteckiger Streifen auch mit einer Ausbuchtung 34 ausgeführt sein,
die die Überlappung
zwischen den einzelnen Substratplatten 24, 24', 24'' erhöht und die einen Versatz zwischen
der Biegelinie und der Linie der Verpressung schafft. Eine solche
Ausbuchtung 34 kann in jedem oder nur in bestimmten Überlappungsbereichen 26,
vorzugsweise aber im zuletzt erreichten Überlappungsbereich 26 der
letzten Substratplatte 24'' vorgesehen
sein. In 4 sind beispielhaft einige Formen
für die
Ausbuchtung 34 mit verschiedenen Linientypen gezeigt.
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Vor
dem Aufwickeln werden die Substratplatten 24, 24', 24'' vorzugsweise mit einem sogenannten
Washcoat beschichtet und mit einem Katalysatormaterial versehen.
Dabei können
die Randbereiche, insbesondere die Bereiche zur späteren Befestigung am
Gehäuse 120 oder
die Überlappungsbereiche 26 ausgespart
werden, um Katalysatormaterial einzusparen und die Haftung der Oberflächen aneinander nicht
zu beeinträchtigen.
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Die
Relativbewegung zwischen dem Wickelkörper 12 und der Gegenfläche 18 wäre auch
durch eine Bewegung der Gegenfläche 18 erzielbar.
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- 10
- Vorrichtung
- 11
- Hohlkörper
- 12
- Wickelkörper
- 14
- Achse
- 16
- Schwenkpunkt
- 18
- Gegenfläche
- 20
- Ende
- 22
- Kulissenführung
- 23
- Bahn
- 24,
24', 24''
- Substratplatte
- 26
- Überlappungsbereich
- 27
- Strukturen
- 28
- Rand
- 30
- Rand
- 32
- Positionierungspins
- 34
- Ausbuchtung
- 100
- Abgasbehandlungsvorrichtung
- 120
- Gehäuse
- d1
- Abstand
- d2
- Abstand
- W
- Wickelrichtung
- r
- Radialrichtung