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Die
Erfindung betrifft einen Behälter
für Betriebsstoffe
von Kraftfahrzeugen. Derartige Behälter, insbesondere Kraftstoffbehälter, finden
sich üblicherweise
als Anbauteile z. B. bei Nutzfahrzeugen, wo sie oftmals als genietete
oder geschweißte,
alternativ als Kunststoffbehälter
realisiert sind. Gerade im Nutzfahrzeugbereich entstand jedoch in
den letzten Jahren – bedingt
durch wachsende Anforderungen an die Umweltverträglichkeit derartiger Fahrzeuge – ein Bedarf
an Behältern
für Betriebsstoffe,
deren Funktion über
die eines konventionellen Kraftstofftanks o. ä. hinausgeht. So wurde es beispielsweise
in jüngerer
Zeit erforderlich, im Rahmen der Maßnahmen zur Entstickung von
Dieselabgasen Harnstoff im Abgassystem von Nutzfahrzeugen einzusetzen.
Damit entstand ein Bedarf an Tanks, die zum Mitführen des benötigten,
chemisch aggressiven Harnstoffs geeignet sind.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Behälter für Betriebsstoffe von
Kraftfahrzeugen anzugeben, der chemisch stabil sowohl gegenüber dem
mitgeführten
Kraftstoff als auch gegenüber
Additiven ist.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe dadurch gelöst,
dass der Behälter
für die
Betriebsstoffe von Kraftfahrzeugen in der Weise realisiert wird,
dass er eine Tragstruktur aufweist und die Innenseite der Tragstruktur
mindestens teilweise mit einer Schutzschicht, insbesondere mit einer
Kunststoff-Sinterschicht bedeckt ist. Dabei kann die Tragstruktur
aus einem vergleichsweise steifen Material, wie beispielsweise einem
Metall, gefertigt sein, auf der die dünne Schutzschicht aufgebracht
ist. Die Schutzschicht kann beispielsweise dadurch geschaffen werden,
dass nach der Ausformung der Tragstruktur der Behälter insgesamt
erhitzt wird und nachfolgend ein Kunststoffpulver in seinen Innenraum
eingebracht wird, wo es an der heißen Tragstruktur aufschmilzt und
damit die genannte Schicht bildet.
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Alternativ
können
auch selbsthärtende
Innenbeschichtungen, wie beispielsweise Lacke oder mit Unterstützung durch
beispielsweise Wärme
oder UV-Bestrahlung aushärtbare
Kunststoffe zur Anwendung kommen. Auch die Verwendung von Zwei-Komponenten-Kunststoffen,
wie beispielsweise Epoxidharzen, ist denkbar.
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Ein
Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass aufgrund der durch
die Wahl des Materials bedingten Steifigkeit der Tragstruktur diese
dünn gewählt werden
kann und auch die Schutzschicht als Schicht von geringer Dicke ihre
Funktion in ausreichendem Maße
ausfüllt.
Darüber
hinaus ergibt sich gegenüber
konventionellen Lösungen,
bei denen ein fertiger Kunststoffbehälter in eine äußere stabilisierende
Hülle eingebracht
wird, der Vorteil, dass der Innenraum der äußeren Hülle, im vorliegenden Fall also
der Tragstruktur des Behälters,
wesentlich besser ausgenutzt werden kann. Insgesamt stellt der vorgeschlagene
Behälter
eine steife und dabei leichte Struktur dar.
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Hinzu
kommt, dass es die vorgeschlagene Lösung ermöglich, nahezu vollständig auf
zusätzliche
Vorrichtungen zur Fixierung des Kunststoffes an der Innenseite der
Tragstruktur zu verzichten, da beispielsweise bereits durch den
Sinterprozess eine feste Verbindung hergestellt wird.
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Auf
diese Weise können
insbesondere Kraftstoffbehälter
für Kraftfahrzeuge
wie auch Behälter
für fluide
oder nicht fluide Kraft- oder Betriebsstoffe wie Hydraulikflüssigkeit,
Biodiesel oder Harnstoff geschaffen wer den. Ein Vorteil der Kunststoffbeschichtung
der Behälterinnenseite
besteht dabei darin, dass die Kunststoffschicht üblicherweise chemisch inert
ist, d. h. dass sie durch den im Behälter aufbewahrten Betriebsstoff
nicht angegriffen wird. Damit wird dem verbreiteten Problem des
Auslösens
von Metall, insbesondere von Aluminiumionen, aus der Aluminiumtragstruktur
des Behälters
durch den teilweise aggressiven Betriebsstoff wie insbesondere Harnstoff
wirkungsvoll begegnet.
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Das
direkte Aufsintern der Schutzschicht hat darüber hinaus erhebliche produktionstechnische Vorteile.
Da die Tragstruktur selbst als Sinterwerkzeug verwendet wird, lassen
sich nahezu beliebige Behälterformen
auch für
kleine Stückzahlen
mit geringem Aufwand realisieren, so dass die erfindungsgemäßen Behälter an
verschiedenste Rahmengeometrien beispielsweise für Sonderfahrzeuge auf einfache
Weise angepasst werden können.
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Ferner
schafft die erfindungsgemäße Lösung eine
einfache Möglichkeit,
integrierte Mehrfach-, insbesondere Doppelbehälter zu realisieren. Die Integration
der Behälter
innerhalb einer Tragstruktur hat dabei den Vorteil, dass nicht jeder Teilbehälter für sich mittels
zweier oder mehrerer Konsolen am Fahrzeugrahmen befestigt werden muss,
sondern dass der integrierte Behäl ter
als Ganzes mit lediglich zwei Konsolen an einem Fahrzeugrahmen angebracht
werden kann.
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Die
Schutzschicht im Inneren des Behälters kann
mechanisch beispielsweise dadurch weiter stabilisiert werden, dass
der Behälter
an seiner Innenseite – gegebenenfalls
bedingt durch den Fertigungsprozess – eine oder mehrere Hinterschneidungen aufweist.
Die genannten Hinterschneidungen haben dabei den Effekt, dass sie
eine zusätzliche
mechanische Stabilisierung der Kunststoff-Sinterschicht bewirken,
so dass ein Ablösen
der Kunststoff-Sinterschicht von der Innenseite der Tragstruktur
wirkungsvoll unterbunden wird. Dies führt dazu, dass die Kunststoff-Sinterschicht
dünner
gewählt
werden kann, als es ohne Hinterschneidungen möglich wäre; im Ergebnis lässt sich
auf diese Weise eine weitere Gewichtseinsparung realisieren.
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Die
Hinterschneidungen können
insbesondere als Nebeneffekt bei der Herstellung der Struktur des
Behälters
realisiert werden: Bei einem aus mehreren Segmenten zusammengesetzten
Behälter
ergeben sich die erforderlichen Hinterschneidungen quasi automatisch
an den z. B. genieteten oder auch mittels beispielsweise einer Orbitalnaht
geschweißten
Fügestellen.
Darüber
hinaus lassen sich die Hinterschneidungen auch dadurch verwirklichen,
dass Durchtrittsöffnungen
durch die Tragstruktur mit einer geeigneten Geometrie ausgebildet
werden. Unter Durchtrittsöffnungen
sind dabei insbe sondere die Öffnung
für den
Tankstutzen oder eine Öffnung
für das
Einbringen eines Füllstandssensors
in den Tank zu verstehen. Die Hinterschneidung kann auf einfache
Weise durch einen umlaufenden, von der Innenseite der Tragstruktur
beabstandeten Flansch oder durch eine Rippenstruktur gebildet werden.
Darüber hinaus
ist es denkbar, einen sich in Richtung des Innenraumes des Behälters bspw.
konisch erweiternden Stutzen vorzusehen, wodurch ein Abziehen der Kunststoff-Sinterschicht nach
innen ebenfalls wirksam erschwert wird.
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Eine
weitere Maßnahme
zur Verbesserung der Haftung zwischen Schutzschicht und der Innenseite
der Tragstruktur kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass
zwischen die Schutzschicht und die Innenseite der Tragstruktur eine
zusätzliche
Haftschicht eingebracht wird. Auf diese Weise kann die zur mechanischen
Stabilität
der Schutzschicht notwendige Schichtdicke weiter reduziert werden.
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Eine
vorteilhafte Wahl für
eine Kunststoff-Sinterschicht
besteht in einem Hochdruck-Polyäthylen,
das die erforderliche chemische Inertheit gegenüber den mitzuführenden
Betriebsstoffen aufweist; als Dicke der Sinterschicht haben sich
ca. 1–25 mm,
insbesondere ca. 2 bis 3 mm bzw. 5 bis 10 mm bewährt.
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Ein
mögliches
Verfahren zur Herstellung des genannten Behälters besteht darin, dass zunächst die
Tragstruktur aus metallischen Einzelteilen zusammengefügt, beispielsweise
geschweißt
wird. Nachfolgend wird die so zusammengefügte Struktur erhitzt und das
Kunststoff-Sintermaterial
wird in den Innenraum der Tragstruktur eingebracht, wo es sich an
der Innenseite der Tragstruktur niederschlägt, aufschmilzt und somit die
gewünschte
Kunststoff-Sinterschicht bildet.
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Um
eine gleichmäßige Verteilung
des Kunststoff-Sintermaterials
im Innenraum des Behälters
zu erreichen, kann der Behälter
während
des Sinterprozesses in Bewegung, insbesondere in Rotation gehalten
werden.
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Als
Zwischenschritt nach dem Erhitzen der Tragstruktur und vor Einbringen
des Kunststoff-Sintermaterials hat es sich bewährt, eine zusätzliche Haftschicht
auf die Innenseite der Tragstruktur aufzubringen. Alternativ kann
die Haftschicht auch bereits auf die Einzelsegmente vor dem Zusammenfügen der
Tragstruktur aufgebracht werden. Ebenso ist es denkbar, z. B. bei
genieteten Behältern,
auch die Kunststoff-Sinterschicht bereits vor dem Zusammenfügen der
Tragstruktur aufzubringen; d. h. im wesentlichen, in dem vorstehend
genannten Verfahren den ersten Schritt, nämlich das Zusammenfügen der
Einzelsegmente, an das Ende des Prozesses zu verlegen. Insbesondere
bei genieteten Tragstrukturen bietet sich diese Vorgehensweise an,
da in diesem Fall die bereits beschichtete Struktur nicht noch einmal erhitzt
werden muss, wie es beispielsweise bei einem Zusammenfügen des
Behälters
durch Schweißen der
Fall wäre.
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In
den Fällen,
in denen die Kunststoff-Sinterschicht nach Zusammenfügen der
Tragstruktur in den Behälter
eingebracht wird, empfiehlt es sich, das Kunststoffmaterial durch
eine ohnehin vorgesehene Öffnung
der Tragstruktur, wie beispielsweise den Einfüllstutzen, einzubringen. Es
ist ebenso denkbar, das Kunststoffmaterial durch eine weitere Öffnung in
den Innenraum des Behälters
einzubringen.
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Als
vorteilhafter Temperaturbereich zum Aufsintern der Kunststoff-Sinterschicht
hat sich der Bereich von ca. 160 bis 200°C bewährt.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist
der Behälter
einen ersten Teilbehälter
auf, dessen Innenseite mindestens teilweise mit einer Schutzschicht,
wie beispielsweise einer Kunststoff-Sinterschicht, bedeckt ist. An diesen ersten
Teilbehälter
schließt
sich mindestens ein zweiter Teilbehälter an, der gegenüber dem
ersten Teilbehälter
abgeschlossen ausgebildet ist. Die beiden Teilbehälter sind
mittels einer Schweißnaht
mit einander verbunden, wobei die Schweißnaht entlang einer Auskragung
an dem ersten Teilbehälter
in einem Abstand von mindestens 100 mm, insbesondere mindestens
200 mm verläuft.
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Dabei
kann es sich bei dem ersten Teilbehälter insbesondere um einen
Harnstoffbehälter
handeln, der an den als Kraftstoffbehälter ausgebildeten zweiten
Teilbehälter
angeschweißt
ist. Die oben genannte Auskragung des ersten Teilbehälters hat
dabei die Wirkung, dass die Schweißnaht, mittels derer die beiden
Behälter
mit einander verbunden werden, von dem innenbeschichteten ersten
Teilbehälter
einen hinreichend großen
Abstand aufweißt,
um ein Aufschmelzen und damit eine Schädigung der Schutzschicht im
Inneren des ersten Teilbehälters während des
Schweißvorganges
zu vermeiden. Für eine
Ausführung
der beiden Behälter
aus Aluminium mit ca. 2 mm Wandstärke hat sich ein Abstand der Schweißnaht von
ca. 150 mm von dem ersten Teilbehälter als vorteilhaft erwiesen;
abhängig
von der verwendeten Schweißtechnologie
sind Abstände
von 0 bis 3000, insbesondere von 0 bis 1000 mm denkbar.
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Der
Behälter
kann ferner ein Einschubelement aufweisen, das sich durch die Tragstruktur
hindurch in den Innenraum des Behälters erstreckt, wobei das
Einschubelement mindestens teilweise von der Kunststoff-Sinterschicht bedeckt
ist. Bei dem Einschubelement kann es sich beispielsweise um einen kapazitiven
oder mechanischen Füllstandssensor, ein
Heizelement oder ein kombiniertes Element aus Füllstandssensor und Heizelement
handeln. Ein derartiges Einschubelement kann insbesondere zur Beheizung
eines als Harnstoffbehälters
ausgebildeten ersten Teilbehälters
verwendet werden. Die Heizung kann dabei als elektrische Widerstandsheizung
oder auch als Kühlwasserheizung
realisiert werden.
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Eine
Problematik der Verwendung eines Einschubelementes in Harnstoffbehältern besteht
darin, dass derartige Einschubelemente in den Fällen, in denen sich bei niedrigen
Temperaturen des Harnstoffes feste Kristalle bilden, erhebliche
mechanische Belastungen des Einschubelementes auftreten, die zu
einer Verbiegung oder im Extremfall zu einer Zerstörung des
Einschubelementes führen.
Dieser Gefahr kann dadurch wirksam begegnet werden, dass im Bereich
des dem Innenraum des Behälters
zugewandten Endes des Einschubelementes, insbesondere in einem Abstand
von ca. 5–10
mm von dem Einschubelement, eine Hilfsstruktur angeordnet ist, durch
die einer Positionsveränderung
oder einer Verformung des Einschubelementes entgegengewirkt wird.
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Der
genannte Abstand der Hilfsstruktur von dem Einschubelement führt dazu,
dass bei dem im normalen Fahrbetrieb auftretenden Schwingungen kein
Schlagen des Einschubelementes an der Hilfsstruktur auftritt; die
Hilfsstruktur unterbindet lediglich zu große Deformationen oder Positionsveränderungen
des Einschubelementes.
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand der 1, 2 und 3 prinzipmäßig beschrieben.
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1 zeigt
einen Kraftstoffbehälter
für Nutzfahrzeuge
mit einer Tragstruktur 1 und einer auf der Innenseite der
Tragstruktur 1 aufgebrachten Kunststoff-Sinterschicht 2 sowie einem
Einfüllstutzen 5. Die
Kunststoff-Sinterschicht 2 weist dabei eine Dicke von ca.
2 bis 3 mm auf. Sie bedeckt im vorliegenden Ausführungsbeispiel die gesamte
Innenoberfläche des
Fahrzeugtanks, insbesondere auch die Oberfläche der Schwallwand 3 und
des als separaten Behälter
ausgebildeten Harnstoffbehälters 6.
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Durch
die umlaufenden Hinterschneidungen 8a und 8b,
die ebenfalls von der Kunststoff-Sinterschicht 2 bedeckt
sind, wird diese zusätzlich
mechanisch stabilisiert und an der Innenseite der Tragstruktur 1 festgehalten.
In einem zusätzlichen
Segment 7 des Kraftstoffbehälters sind die Trittstufen 4a, 4b, 4c ausgebildet.
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2 zeigt
eine Variante eines Behälters, wobei
der Behälter
die beiden Teilbehälter 6 und 11 aufweist,
die miteinander mittels der umlaufenden Schweißnaht 9 verbunden
sind. Dabei handelt es sich bei dem Teilbehälter 6 um einen Harnstoffbehälter mit
einer Kunst stoff-Sinterschicht 2. Bei dem Teilbehälter 11 handelt
es sich um einen Kraftstoffbehälter,
bei dem ein Kunststoff-Innenbeschichtung nicht erforderlich ist.
Der Teilbehälter 11 weist
ferner einen Einfüllstutzen 5 auf.
Die umlaufende Schweißnaht 9 ist
von dem innenbeschichteten Teilbehälter 6 mittels der
Auskragung 10 um ca. 150 mm beabstandet ausgebildet, so
dass ein Verschweißen
der Tragstrukturen 1 der beiden Teilbehälter 6 und 11 ohne
Gefährdung
der Kunststoff-Sinterschicht 2 erfolgen
kann. Auf diese Weise wird die Produktion des erfindungsgemäßen Behälters wesentlich
vereinfacht.
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Auch
in diesem Ausführungsbeispiel
sind in einem zusätzlichen
Segment 7 des Teilbehälters 11 die
Trittstufen 4a, 4b, 4c ausgebildet.
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In
dem Teilbehälter 6 ist
das in der 2 schematisch dargestellte Einschubelement 13 angeordnet,
das als Füllstandssensor
mit einem integriertem Heizelement ausgebildet ist. Auch das Einschubelement 13 ist – wie auch
die Innenseite des Teilbehälters 6 – von der
Kunststoff-Sinterschicht 2 bedeckt. Darüber hinaus wird das Einschubelement 13 von
der im unteren Bereich des Teilbehälters 6 angeordneten
ebenfalls mit der Kunststoff-Sinterschicht 2 bedeckten
Hilfsstruktur 14 mechanisch in der Weise stabilisiert,
dass die Hilfsstruktur 14 in einem Abstand von wenigen
Millimetern von dem Einschubelement 13 angeordnet ist und
eine starke Verbiegung oder Positionsänderung des Einschubelementes 13 unterbindet.
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Ferner
befindet sich im oberen Bereich des Teilbehälters 6 die Durchtrittsöffnung 16,
die von dem Einfüllstutzen 15 durchstoßen wird.
Die Geometrie des Einfüllstutzens 15 ist
dabei so gewählt,
dass sich der Einfüllstutzen 15 in
Richtung des Inneren des Teilbehälters 6 erweitert.
Auf diese Weise wird eine Hinterschneidung geschaffen, durch die
der Halt der Kunststoff-Sinterschicht 2 an der Innenseite
des Teilbehälters 6 weiter
verbessert wird.
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3 zeigt eine weitere Variante der Erfindung,
bei der der Teilbehälter 6 als
Teilbehälter 6' nach einem
alternativen Verfahren hergestellt wird. In 3a ist
der erfindungsgemäße Behälter im
Querschnitt zum Beginn des Fertigungsprozesses dargestellt. 3a zeigt
die Tragstruktur 1, die seitlich offen ausgeführt ist;
dabei ist durch die seitliche Öffnung
der Tragstruktur 1 der Stempel 100 eingeführt, so
dass durch die Tragstruktur 1, den Stempel 100 und
den Außenboden 101 ein
abgeschlossener Raum gebildet wird. Der Außenboden 101 ist dabei auf
die Tragstruktur 1 aufgesteckt; zur Erleichterung des Aufsteckens
ist die Tragstruktur 1 in dem mit dem Außenboden 101 überlappenden
Bereich mit einer Rollierung 102 versehen, die das Aufstecken
des Außenbodens 101 auf
die Tragstruktur 1 dadurch erleichtert, dass durch die
Rollierung 102 eine Verjüngung gebildet wird. In einem
nachfolgenden Verfahrensschritt wird auf die Innenseite des Außenbodens 101 und
der Tragstruktur 1 sowie auf die dem Innenraum zugewandte
Seite des Stempels 100 die Schutzschicht 2 aufgebracht.
Dies kann durch einen Sintervorgang, beispielsweise Rotationssintern,
erfolgen. Durch den Beschichtungsvorgang bildet sich der in 3b dargestellt
Teilbehälter 6', die Rollierung 102 hat
dabei den positiven Nebeneffekt, dass durch diese eine zusätzliche
Hinterschneidung zwischen der Rollierung und dem Außenboden 101 geschaffen
wird, wodurch die mechanische Stabilität der Schutzschicht 2 verbessert
wird. Die Rollierung 102 wirkt dabei in analoger Weise
wie die in 1 dargestellten Hinterschneidungen 8a und 8b.
Selbstverständlich
ist der Gedanke, den erfindungsgemäßen Behälter aus der mit der Rollierung 102 versehenen
Tragstruktur und dem Außenboden 101 herzustellen,
nicht auf das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel
beschränkt.
Gleiches gilt für
die Verwendung des Stempels 100. Nach dem Entfernen des
Stempels 100 aus dem inneren Bereich der Tragstruktur 1 ist
der in 3c dargestellte Teilbehälter 6' entstanden,
der im wesentlichen aus den mit der Schutzschicht 2 versehenen
Komponenten Außenboden 101 und
Tragstruktur 1 sowie aus der Kunststoffwand 2' besteht. Die
Verwendung des Stempels 100 und die Ausbildung der Kunststoffwand 2' hat dabei den
positiven Effekt, dass auf eine zusätzliche metallische Trennwand
verzichtet werden kann.
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Zur
Fertigstellung des Behälters
kann die seitliche Öffnung
der Tragstruktur nach dem Entfernen des Stempels 100 verschlossen
werden. Die Kunststoffwand 2' kann
im Vergleich zur Schutzschicht 2 mit einer erhöhten Dicke
ausgebildet werden, um die mechanische Stabilität dieses als Kunststoffwand 2' ausgebildeten
Teils der Schutzschicht 2 zu erhöhen. Im Falle eines Rotationssinterprozesses kann
dies beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der Behälter während des
Sinterns und Rotierens so gelagert wird, dass sich der Stempel 100 vorzugsweise
im unteren Bereich der Anordnung befindet, so dass sich dort vermehrt
Kunststoffpartikel niederschlagen. Um das Entformen des Stempels 100 zu
erleichtern, kann dieser mit einer Antihaftschicht, beispielsweise
aus Teflon, versehen werden.
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Die
Schutzschicht 2 kann in dem in 3 gezeigten
Ausführungsbeispiel
wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen
und möglichen
Varianten der Erfindung durch eine Kunststoff-Sinterschicht oder
auch eine selbsthärtende
Innenbeschichtung, wie beispielsweise einen Lack, gebildet werden.
Daneben ist es denkbar, die Schutzschicht 2 aus einem mehrkomponentigen,
insbesondere einem zweikomponentigen Kunststoffmaterial, wie beispielsweise
einem Expoxidharz, oder einem extern aushärtbaren Material, wie beispielsweise
einem UV-aushärtbaren Kunststoff
oder einem durch Wärme
aushärtbaren Kunststoff
zu gestalten.