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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein Halbzeug
zum Fügen
von Werkstücken.
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Das
Verfahren und das Halbzeug sind insbesondere geeignet zum Fügen von
Werkstoffen gleicher oder unterschiedlicher Art, z.B. Glas, Quarzglas, Metall
oder Keramik und für
Anwendungen im Hochtemperaturbereich.
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Es
ist bekannt, daß sich
Verbindungen, die höheren
Temperaturen und Temperaturwechseln ausgesetzt sind, meist nicht
mit organischen Klebern fügen
lassen, da diese alterungsanfällig
sind, eine unzureichende chemische Beständigkeit aufweisen, und da
deren thermische Beständigkeit
begrenzt ist. So weisen organische Kleber meist nur die thermische
Beständigkeit
bis zu Temperaturen im Bereich von 200 bis 250° C auf. Dementsprechend versagen organische
Kleber in der Regel bei Temperaturen oberhalb 200°, altern
relativ schnell und sind chemisch unbeständig.
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Sollen
dementsprechend Werkstoffe gefügt werden,
die über
der Grenze der thermischen Beständigkeit
des jeweiligen organischen Fügewerkstoffes
eingesetzt werden, muß auf
alternative Fügeverfahren
zurückgegriffen
werden.
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Eine
mögliche
Alternative besteht in der Verwendung keramischen Kitts oder keramischer
Schlicker. Der Kitt/Schlicker wird in einem Wärmebehandlungsprozeß getrocknet.
In diesem langwierigen Wärmebehandlungsprozeß wird jedoch
meist kein Sintern des keramischen Materials in sich selbst und mit
den zu verbindenden Werkstoffen erreicht, da die Sintertemperaturen
häufig
deutlich über
den Einsatztemperaturen der zu verbindenden Werkstoffe liegen. Folglich
erreicht keramischer „Füge"-Kitt, z.B. Al2O3, im Trocknungs-
oder auch Wärmebehandlungsprozeß keine
ausreichende Festigkeit, da aufgrund der niedrigen Verfahrenstemperaturen
das genannte Sintern des Kitts in sich und das Versintern mit den angrenzenden
Werkstoffen nicht erreicht wird.
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Daher
weisen derartige Verbindungen nur eine geringe mechanische Festigkeit
auf. Dementsprechend führen
Belastungen, die z.B. bei Temperaturänderungen oder einwirkenden
Kräften
auftreten, zur Lockerung oder Zerstörung der Verbindung. So neigt
der „Füge"-Kitt aufgrund dieser
Eigenschaften schon bei geringer Belastung durch thermische Ausdehnung
oder anderen einwirkenden Kräften
zum Reißen
und Zerkrümeln.
Ebenfalls löst
er sich von den angrenzenden Werkstoffen ab. Die genannten Mechanismen
führen
dazu, daß sich
die Verbindung lockert und löst
sowie der Kitt aus dem Kontakt- bzw. Verbindungsbereich herausfällt.
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Es
wurde zum Verbinden von Quarzglaskörpern und Metallhülsen vorgeschlagen,
schäumbares Material,
z.B. Aluminium, als Fügewerkstoff
zu verwenden. Derartiges schäumbares
Material ist als Fügewerkstoff
auch im Hochtemperaturbereich geeignet.
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Allerdings
ist ein universeller Einsatz des schäumbaren Materials, insbesondere
für Serien
mit großen
Stückzahlen
und einem variierenden Teilespektrum, nicht möglich, da für jedes Teilespektrum eine
Anpassung der geometrischen Daten erforderlich wäre.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
und ein Halbzeug zum Fügen
von Werkstoffen gleicher oder unterschiedlicher Art, insbesondere
für Anwendungen
auch im Hochtemperaturbereich, anzugeben, mit denen eine universelle
Anpassung für
Serien mit großen
Stückzahlen
und einem variierenden Teilespektrum ermöglicht ist.
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In
verfahrenstechnischer Hinsicht wird die vorliegende Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein
Verfahren zum Fügen
von zumindest zwei Werkstücken,
mit den Schritten:
- – Herstellen eines schäumbaren
Vormaterials,
- – Anordnen
dieses Vormaterial im nicht-geschäumten Zustand in einem Verbindungsbereich der
Werkstücke,
derart, daß das
Vormaterial zumindest eines der Werkstücke umschließt, und
- – Aufschäumen des
Vormaterials zur Herstellung der Fügeverbindung zwischen den Werkstücken.
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Dabei
kann das schäumbare
Vormaterial mit einem runden, elliptischen, quadratischen, rechteckigen
oder polygonen Querschnittsprofil oder mit Kombinationen dieser Querschnittsprofile
ausgebildet werden. Auch ein Hohlprofil ist möglich. Insbesondere sind durch
ein Strangpressverfahren herstellbare Querschnittsprofile verwendbar.
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Weiterhin
kann das schäumbare
Vormaterial flexibel sein und auf zumindest eines der zu fügenden Werkstücke aufgewickelt
werden.
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Das
schäumbare
Vormaterial kann auch als Wendel vorgefertigt und in den Verbindungsbereich eingebracht
werden. In diesem Falle muß das
Vormaterial nicht zwingend flexibel sein. Besonders vorteilhaft
ist es aber, wenn ein als Strang vorgefertigtes Formmaterial zu
einer Wendel um eines der Werkstücke
herum „aufgewickelt" wird. Bei beiden
Ausführungsbeispielen
kann eine Auswahl eines Abstandes der Wicklungen, einer Anzahl an
Wicklungen, einer Steigung der Wendel, einer Anzahl an Windungen der
Wendel, einer Querschnittform oder –fläche des Vormaterials, und/oder
einer Art und Dichte des Vormaterials derart festgelegt werden,
daß eine
Volumenzunahme, Dichte und/oder Masse eines im Erwärmungsprozess
entstehenden porösen
Materials eingestellt werden.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel kann
das schäumbare
Vormaterial als rohrförmiger Abschnitt
(„Hülse” bzw. „Röhrchen") vorgefertigt und auf
zumindest eines der Werkstücke
aufgesteckt werden.
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Zudem
können
die Wendel oder der rohrförmige
Abschnitt ein rundes, elliptisches, quadratisches, rechteckiges
oder polygones Querschnittsprofil oder Kombinationen dieser Querschnittsprofile aufweisen.
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Das
Querschnittsprofil kann auch an die Form des zumindest einen Werkstückes angepaßt sein.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel werden
ein oder mehrere zu fügende
Werkstücke am,
um oder in der Nähe
des vom schäumbaren
Vormaterial umschlossenen Werkstückes
angeordnet und das Vormaterial wird durch Erwärmung aufgeschäumt.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel werden
zwei Werkstücke
benachbart zueinander angeordnet und das schäumbare Vormaterial wird derart
angeordnet, daß es
beide Werkstücke
umschließt,
bevor es aufgeschäumt
wird.
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In
vorrichtungstechnischer Hinsicht wird die vorliegende Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein
Halbzeug zum Fügen
von Werkstücken
mit dem Verfahren nach einem der vorstehend diskutierten Ausführungsbeispiele,
insbesondere für
Hochtemperaturanwendungen, wobei das Halbzeug aus einem schäumbaren
Vormaterial ausgebildet ist, das in einen Verbindungsbereich der
Werkstücke
derart anordenbar ist, daß das
Halbzeug zumindest eines der Werkstücke umschließt.
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Das
schäumbare
Vormaterial kann ein rundes, elliptisches, quadratisches, rechteckiges
oder polygones Querschnittsprofil oder eine Kombinationen dieser
Querschnittsprofile aufweisen.
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Das
Vormaterial kann flexibel und als Wicklung auf zumindest eines der
zu fügenden
Werkstücke
aufbringbar sein.
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Das
Vormaterial kann auch als vorgefertigte in den Verbindungsbereich
einbringbare Wendel oder als rohrförmiger auf eines der Werkstücke aufsteckbarer
Abschnitt ausgebildet sein.
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Zudem
kann das Halbzeug das Werkstück derart
umschließt,
daß ein
oder mehrere zu fügende Werkstücke am,
um oder in der Nähe
des vom Halbzeug umschlossenen Werkstückes anordenbar sind, wobei
das Vormaterial durch Erwärmung
aufschäumbar
ist.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel sind
durch eine Auswahl eines Abstandes der Wicklungen, einer Anzahl
an Wicklungen, einer Steigung der Wendel, einer Anzahl an Windungen
der Wendel, einer Querschnittform oder –fläche des Vormaterials, und/oder
einer Art und Dichte des Vormaterials eine Volumenzunahme, Menge,
und/oder Dichte eines im Erwärmungsprozess
entstehenden porösen
Materials festlegbar.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
in Verbindung mit den zugehörigen
Zeichnungen näher
erläutert.
In diesen zeigen:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
des Fügeverfahrens
und des Halbzeuges, wobei das Halbzeug aus einer Wicklung schäumbaren
Vormaterials ausgebildet und zwischen einem ersten und einem zweiten
Körper
angeordnet ist,
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
des Fügeverfahrens
und des Halbzeuges, bei dem im Vergleich zu 1 eine Wicklung
mit höherer
Vormaterialdichte zwischen den Körpern
angeordnet ist,
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3 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
des Halbzeuges, und
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4 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
des Halbzeuges.
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In
den 1 und 2 sind jeweils ein erster äußerer Körper 1 und
ein zweiter innerer Körper 2 schematisch
dargestellt, welche miteinander verbunden werden sollen.
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Dabei
ist vorliegend der äußere Körper 1 als Hülse ausgebildet,
wobei die vorliegende Erfindung jedoch nicht auf eine derartige
Ausbildung als (beispielsweise achssymmetrische) Hülse beschränkt ist.
Vielmehr sind eine Vielzahl an geometrischen Formen für den inneren
Körper 2 und
den äußeren Körper 1 möglich.
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Im
Verbindungsbereich zwischen diesen Körpern 1, 2 ist
vorliegend ein Halbzeug 3 als Wicklung des schäumbaren
Vormaterials schematisch dargestellt.
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Dabei
ist im Vergleich der 1 und 2 ersichtlich,
daß die
Wicklung in 1 eine niedrigere Vormaterialdichte
aufweist als die Wicklung in 2. Dies
wird vorliegend durch die verschiedene Anzahl an Wendungen der Wicklungen
erreicht.
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Vorliegend
dient ein in der Regel draht- oder bandförmiges (= „strangförmiges") Vormaterial als Halbzeug, wobei das
Vormaterial beispielsweise in Anlehnung an ein pulverschmelzmetallurgisches Schäumverfahren
vorgefertigt ist (d.h. als eine Art „nicht aufgeschäumter Preßling" vorliegt).
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Bei
einer drahtförmigen
Ausbildung kann beispielsweise ein rundes bzw. elliptisches Querschnittsprofil
ausgebildet werden. Desgleichen kann bei bandförmiger Ausbildung ein rechteckiges,
quadratisches oder polygones Querschnittsprofil ausgebildet werden.
Zudem kann der Querschnitt bei draht- oder bandförmiger Ausbildung sowohl ein
Vollprofil als auch ein Hohlprofil aufweisen.
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Das
beschriebene schäumbare
Vormaterial ist also nicht im engeren Sinne band- oder drahtförmig, sondern
kann alle möglichen
Profilformen aufweisen, insbesondere solche, die durch Strangpressen
herstellbar sind.
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Im
allgemeinen weist das Vormaterial in sämtlichen obigen Ausbildungen
eine gewisse Flexibilität
auf (wobei die vorliegende Erfindung aber nicht notwendigerweise
hierauf beschränkt
ist). Somit handelt es sich im Regelfall bei sämtlichen obigen Ausbildungen
um ein längserstrecktes
und flexibles Material. Daher kann das schäumbare Vormaterial in geeigneter
Weise, z.B. auf einer Rolle, ggf. endlos zur Verfügung gestellt
werden. Über
eine entsprechende Zuführeinheit
kann das Vormaterial auf einen der zu fügenden Körper (vorliegend auf den inneren
Körper 2)
aufgebracht werden. Hierzu bietet sich das Aufwickeln eines draht-
oder bandförmigen
Vormaterials an.
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Anschließend werden
ein oder mehrere weiterhin zu fügende
Teile am, um oder in der Nähe
des ersten Körpers
positioniert und das durch Aufwickeln des Vormaterials auf den inneren
Körper
entstandene Halbzeug wird durch eine geeignete Erwärmungsmethode
zum Schäumen
gebracht. Der Metallschaum füllt
dementsprechend den Zwischenraum zwischen den Körpern 1 und 2 aus.
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Auch
ist denkbar, daß das
draht- oder bandförmige
Vormaterial bereits in einem vorgeschaltenen Prozeß als Wendel
zur Bildung des Halbzeuges ausgeformt wird und dann die fertig geformte
Wendel zwischen die zu verbindenden Körper 1, 2 in
geeigneter Form eingebracht wird.
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Über einen
Abstand der Wicklungen bzw. der Wendung der Wendel, eine Querschnittsform und/oder
Fläche
des Vormaterials, sowie die Art und Dichte des Vormaterials wird
die Volumenzunahme und Dichte des im Erwärmungsprozeß entstehenden porösen Materials
maßgeblich
bestimmt. Auf diese Weise kann die Vormaterialmenge dem auszufüllenden
Raum angepaßt
und die Dichte des entstehenden Metalls (Schaum) in den verfahrenstypischen Grenzen
nach Wunsch eingestellt werden. Auch ist eine bewusste Beeinflussung
und Variation der Dichte des Schaumes entlang der Erstreckung des
Zwischenraums ermöglicht.
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Die
Eigenschaften der entstehenden Verbindung sind dementsprechend in
einem weiten technologischen Rahmen beeinflussbar.
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Zur
Verdeutlichung der vorstehenden Methode zur Beeinflussung der Vormaterialmenge
sind in den 1 und 2 die Wicklung
mit niedriger Vormaterialdichte (1) und die
Wicklung mit hoher Vormaterialdichte (2) abgebildet.
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In 3 ist
ein Ausführungsbeispiel
des Halbzeuges als Wicklung des schäumbaren Vormaterials mit flachen
Federenden abgebildet.
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Als
weiteres Ausführungsbeispiel
des Halbzeugs ist in 4 das Halbzeug als Wicklung
des schäumbaren
Vormaterials mit unbearbearbeiteten Federenden dargestellt.
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Insbesondere
aus den 3 und 4 ist die
Verwendung eines vorgeformten Halbzeuges und eine mögliche Ausbildung
des Halbzeuges selbst entnehmbar.
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Alternativ
zur vorstehend diskutierten Ausbildung als Wendel könnte das
vorliegende Halbzeug auch als ein rohrförmiger bzw. einen profilförmigen Abschnitt
(d.h. als ein „Hohlprofil", insbesondere als „Hülse" bzw. als „Röhrchen") hergestellt werden.
Dieses Hohlprofil bzw. diese Hülse
müssen
nicht notwendigerweise flexibel sein, sondern können auch als starre Hohlprofile/Hülsen/Röhrchen ausgebildet werden.
Der rohrförmige
bzw. profilförmige
Abschnitt kann insbesondere einen (kreis-)runden, elliptischen, polygonen,
oder an die Ausformung des/der zu verbindenden Teile angepasste
Querschnittsform aufweisen. Der rohrförmige bzw. profilförmige Abschnitt (das
Röhrchen)
kann dann auf jedenfalls eines der Bauteile oder auf mehrere der
zu verbindenden Teile aufgesteckt werden, woran sich dann der Aufschäumvorgang
anschließt.
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Insbesondere
die Ausbildung des hülsenförmigen Halbzeuges
ermöglicht
eine einfache und kostengünstige
Anwendungsform, da über
eine ggf. variierende Wandstärke
bzw. eine ggf. variierende Dichte der Wand der Hülse auch die Menge an aufschäumbaren
Material und damit die Ausbildung der Verbindung selbst beeinflussbar
ist. Daher sind Röhrchen aus
schäumbarem
Material, die in angepassten Längen
und Durchmessern aufgesteckt werden können, besonders relevante Ausführungsbeispiele
des vorliegenden Halbzeuges.
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Mit
dem vorliegenden Verfahren und dem vorliegenden Halbzeug ist, wie
vorstehend ausgeführt,
die Verbindung von Werkstoffen gleicher oder unterschiedlicher Art
mit schäumbarem
Material ermöglicht,
wobei das vorliegende Verfahren und das Halbzeug besonders geeignet
sind für
Verbindungen, die höheren
Temperaturen (insbesondere über +200°C) bzw. Temperaturwechseln
ausgesetzt sind. Dementsprechend wird das Fügen dieser Werkstoffe mit organischen
Klebern (welche über
200° C in
der Regel versagen) vermeidbar. Auch mechanische Fügeverfahren
oder keramische Massen werden ersetzbar.
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Die
vorstehende Beschreibung offenbart insbesondere ein Verfahren zum
Fügen von
Werkstücken,
bei dem ein aus einem schäumbaren
Vormaterial bestehendes Werkzeug in einem Verbindungsbereich der
Werkstücke
derart angeordnet wird, daß das
Halbzeug eines der Werkstücke
umschließt.
Vorzugsweise wird das Halbzeug auf eines der zu fügenden Werkstücke, insbesondere
durch Wickeln, aufgebracht. Alternativ hierzu kann das Halbzeug,
insbesondere als Wendel, vorgefertigt in den Verbindungsbereich
eingebracht werden. Insbesondere in einer dieser Ausbildungen ist
eine universelle Anpassung eines in seinen geometrischen Daten vordefinierten
Vormaterials (Halbzeug) universell für ein variierendes Teilespektrum
ermöglicht.
Vorzugsweise wird beim vorliegenden Verfahren zum Fügen von Werkstücken ein
oder mehrere zu fügende
Werkstücke
am, um oder in der Nähe
des vom Halbzeug umschlossenen Werkstückes angeordnet und das Vormaterial
durch Erwärmen
aufgeschäumt.
Dabei ist es weiterhin vorteilhaft, wenn eine Volumenzunahme, Dichte
und/oder Masse des im Erwärmungsprozeß entstehenden
porösen
Materials, insbesondere durch eine Auswahl eines Abstandes der Wicklungen,
einer Anzahl an Wicklungen, einer Steigung der Wendel, einer Anzahl
an Windungen der Wendel, einer Querschnittsform oder –fläche des
Vormaterial, und/oder einer Art und Dichte des Vormaterials selbst festgelegt
wird.
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Die
vorstehende Beschreibung offenbart weiterhin ein Halbzeug, das aus
einem schäumbaren Vormaterial
ausgebildet ist und eine Form aufweist, mit der das Halbzeug in
einem Verbindungsbereich der Werkstücke derartig anordenbar ist,
daß das Halbzeug
eines der Werkstücke
umschließt.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Halbzeug auf eines der zu fügenden Werkstücke, insbesondere
durch Wickeln, aufbringbar ist oder das Halbzeug als vorgefertigte Wendel,
welche flexibel an den Verbindungsbereich anpassbar ist, ausgebildet
ist. Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn das Halbzeug das Werkstück derart
umschließt,
daß ein
oder mehrere zu fügende
Werkstücke
am, um oder in der Nähe
des vom Halbzeug umschlossenen Werkstückes anordenbar sind und das Vormaterial
durch Erwärmung
aufschäumbar
ist. Zudem ist es vorteilhaft, wenn insbesondere durch Auswahl eines
Abstandes der Wicklungen, einer Anzahl an Wicklungen, einer Steigung
der Wendel, einer Anzahl an Windungen der Wendel, einer Querschnittsform
oder –fläche des
Vormaterials und/oder einer Art und Dichte des Vormaterials eine
Volumenzunahme, Menge und/oder Dichte eines im Erwärmungsprozeß entstehenden
porösen
Materials festlegbar sind.