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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erwärmung von Metallplatinen gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zur Erwärmung von Metallplatinen gemäß Anspruch 8.
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Vorrichtungen und Verfahren der hier angesprochenen Art sind bekannt. Beispielsweise geht aus der europäischen Patentanmeldung
EP 2 014 777 A1 eine Vorrichtung zur Erwärmung von Metallkörpern, insbesondere von Blechen oder Blechformteilen hervor, die eine Erwärmungseinrichtung umfasst, die angeordnet und ausgebildet ist zur direkten Kontakterwärmung zumindest eines Bereichs eines Metallkörpers, beispielsweise eines Blechs oder eines Blechformteils. Dabei sind zur direkten Kontakterwärmung Kontaktplatten vorgesehen, die aus einem metallischen Werkstoff, beispielsweise aus Stahl bestehen. Bekannt sind außerdem Vorrichtungen und Verfahren, bei denen zur partiellen Erwärmung Induktionsspulen verwendet werden. Die induktive Erwärmung funktioniert einwandfrei bei vorgeformten Blechbauteilen, weil die während der induktiven Erwärmung wirkenden hohen magnetischen Kräfte aufgrund der ausreichenden Eigensteifigkeit des vorgeformten Bauteils keinen Einfluss auf dessen Form haben. Bei Metallplatinen wirkt sich jedoch das sehr starke Magnetfeld in einer plastischen Deformation aus, wodurch Kanten entstehen, die gerade in Beplankungsbauteilen für ein Kraftfahrzeug auf der Sichtseite besonders unterwünscht sind. Wird jedoch – um eine solche Kantenbildung zu vermeiden – eine Kontakterwärmung einer Metallplatine in der zuvor beschriebenen Art vorgesehen, kommt es zu Diffusionsprozessen zwischen den aus Metall, insbesondere aus Stahl bestehenden Kontaktplatten und der Metallplatine. Hierdurch werden die Korrosionseigenschaften der Metallplatine negativ beeinflusst.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, welche die hier genannten Nachteile nicht aufweisen.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen wird. Dadurch, dass die Erwärmungseinrichtung wenigstens ein beheizbares Keramikelement aufweist, das eine zur direkten Berührung des zu erwärmenden Bereichs der Metallplatine ausgebildete Kontaktfläche aufweist, wird eine homogen Erwärmung der Metallplatine erreicht, ohne dass eine plastische Verformung eintritt, wie dies bei einer induktiven Erwärmung zu befürchten wäre. Da Keramik als Werkstoff gewählt wird, finden keine Diffusionsprozesse zwischen der Erwärmungseinrichtung und der erwärmten Metallplatine statt. Daher werden deren Korrosionseigenschaften nicht negativ beeinflusst. Das wenigstens eine beheizbare Keramikelement ist vorgesehen, um die Metallplatine in direktem Körperkontakt zu erwärmen.
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Insbesondere ist es mithilfe des Keramikelements möglich, die Metallplatine schnell aufzuheizen, ohne dass es zu Diffusionsprozessen in dieselbe kommt, welche deren Materialeigenschaften ändern würde.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung umfasst das beheizbare Keramikelement eine Matrixkeramik, beispielsweise aus Aluminiumoxid, sowie eine elektrisch leitende, nicht-oxidische Keramik. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist eine mehrphasige Keramik mit elektrisch leitenden Anteilen vorgesehen. Eine solche Mehrphasenkeramik umfasst bevorzugt eine nicht oder schlechtleitende Matrixkeramik ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus AL2O3, ZrO2, Si3N4, SiC, und TiO2. Als weitere Phase umfasst die Mehrphasenkeramik bevorzugt eine elektrisch leitfähige Verbindung ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus ZrC, ZrN, ZrB2, ZrSi2, TiC, TiN, TiB2, TaC, TaN, TaB2, TaSi2, MoB2, Mo2C, MoSi2, HfB2, HfC, HfN, ThB6, ThC, NbB2, NbC, NbN, LaB6, VC, VN und W2C.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung bevorzugt, bei welchem das beheizbare Keramikelement Siliziumnitrid oder Aluminiumnitrid umfasst, vorzugsweise aus Siliziumnitrid oder Aluminiumnitrid besteht.
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Aus den genannten Materialein können beheizbare Keramikelemente in verschiedensten Formen hergestellt werden, wobei es insbesondere möglich ist, die Form der Kontaktfläche an die zu beheizende Metallplatine anzupassen, was bevorzugt bei den Keramikelementen vorgesehen ist.
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Das beheizbare Keramikelement ermöglicht Energieeinsparungen durch seine geringe Leistungsaufnahme und die direkte Wärmeübertragung. Es weist eine geringe Regelträgheit sowie eine exakte Einstellbarkeit der gewünschten Temperatur ohne Überschwingen auf. Es sind sehr kurze Aufheizzeiten bei Oberflächenleistungen bis zu 150 W/cm2 möglich. Abhängig von der konkret ausgewählten Keramik sind Temperaturen bis 1000°C erreichbar. Das beheizbare Keramikelement weist außerdem eine sehr hohe Festigkeit auf. Es ermöglicht eine schnelle Kompensation von Wärmeverlusten durch eine hohe Leistungsreserve. Für Kleinanwendungen sind beheizte Flächen bereits ab 1 mm2 möglich.
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Das beheizbare Keramikelement stellt außerdem sehr hohe Heizraten von mindestens 50 K/s zur Verfügung, wobei insbesondere bevorzugt eine Temperatur von 350°C in 4 Sekunden erreicht werden kann. Darüber hinaus stellt das beheizbare Keramikelement eine homogene Temperaturverteilung bei sehr guter Regelgenauigkeit zur Verfügung.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist in das beheizbare Keramikelement eine Kühleinrichtung integriert, mittels derer die Metallplatine aktiv kühlbar ist. Die Kühleinrichtung umfasst bevorzugt wenigstens einen Kanal für ein Kühlmedium, wobei als Kühlmedium Druckluft, gekühlte Luft, Stickstoff oder ein anderes fluides Medium, insbesondere auch eine Flüssigkeit wie beispielweise Wasser, in Frage kommt.
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Für die Kontaktfläche des beheizbaren Keramikelements sind Ebenheiten von bis zu weniger als 1 μm auch auf größeren Flächen realisierbar, wobei kein Verwerfen der Kontaktfläche im Temperaturwechselbetrieb erfolgt.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist ein Temperaturmesselement, vorzugsweise ein Temperaturmesswiderstand, direkt in das beheizbare Keramikelement integriert, um dessen Temperatur zu messen.
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Es wird ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Erwärmungseinrichtung eine Mehrzahl von beheizbaren Keramikelementen aufweist. Dabei lassen sich die beheizbaren Keramikelemente sehr einfach wunschgemäß anordnen, wobei sie aufgrund ihres niedrigen Gewichts einfach zu handhaben sind. Somit kann die Vorrichtung auf die konkrete Erwärmungsaufgabe ohne weiteres abgestimmt werden.
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Besonders bevorzugt ist jedes Keramikelement einer Mehrzahl von beheizbaren Keramikelementen separat mit einer elektrischen Versorgung verbunden, sodass es separat elektrisch bestromt werden kann. Insbesondere bei einem Ausführungsbeispiel, bei welchem ein Grundträger verschiedene beheizbare Keramikelemente umfasst, können diese separat und einzeln angesteuert werden, sodass flexibel eine anforderungsgerechte, lokal abgestimmte Erwärmung eine Metallplatine durchgeführt werden kann. In diesem Zusammenhang wird insbesondere auch ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung bevorzugt, bei welchem vorzugsweise jedes beheizbare Keramikelement eine integrierte Temperaturmesseinrichtung, insbesondere einen integrierten Temperaturmesswiderstand aufweist. Es ist dann möglich, die Temperatur jedes einzelnen Keramikelements separat zu erfassen und dieses bedarfsgerecht und in gewünschter Weise zu heizen.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Erwärmungseinrichtung einen Grundträger aufweist, an dem das wenigstens eine beheizbare Keramikelement befestigt ist. Bevorzugt ist das wenigstens eine beheizbare Keramikelement austauschbar an dem Grundträger befestigt. Besonders bevorzugt sind eine Mehrzahl von beheizbaren Keramikelementen insbesondere austauschbar an dem Grundträger befestigt. Dabei ist die Anordnung der Keramikelemente flexibel änderbar, sodass es möglich ist, die Vorrichtung durch kurzes Umrüsten der Keramikelemente auf verschiedene Erwärmungsaufgaben, insbesondere auf verschiedene zu erwärmende Bauteile einzustellen, und/oder gleiche Bauteile, insbesondere gleiche Metallplatinen, mit verschiedenen Materialeigenschaften herzustellen. Dabei lassen sich die beheizbaren Keramikelemente auf dem Grundträger aufgrund ihrer Austauschbarkeit sehr einfach wunschgemäß anordnen.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass der Grundträger an einer dem beheizbaren Keramikelement abgewandten Seite einen Stempel aufweist, mit dem der Grundträger an die Metallplatine andrückbar ist. Vorzugsweise ist das wenigstens eine beheizbare Keramikelement an einer Wirkseite des Grundträgers vorgesehen, während der Stempel auf einer der Wirkseite abgewandten Rückseite des Grundträgers vorgesehen ist. Es ist möglich, dass der Stempel einstückig mit dem Grundträger ausgebildet ist. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der Stempel mit dem Grundträger wirkverbunden ist, sodass der Grundträger über den Stempel an die zu erwärmende Metallplatine andrückbar ist. Mittels des Stempels ist es möglich, eine Druckkraft in den Grundträger einzuleiten, durch welche das wenigstens eine beheizbare Keramikelement sicher und fest an die Metallplatine angedrückt wird, um eine effiziente, direkte Kontakterwärmung zu gewährleisten.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Vorrichtung ein Unterwerkzeug und ein Oberwerkzeug aufweist. Der Grundträger und bevorzugt auch der Stempel ist/sind an dem Unterwerkzeug und/oder an dem Oberwerkzeug vorgesehen. Dabei ist/sind sie vorzugsweise an diesem befestigt, in dieses integriert oder in es eingebaut. Es ist also ein Ausführungsbeispiel möglich, bei welchem der Grundträger und bevorzugt auch der Stempel nur an dem Unterwerkezug vorgesehen sind. Das Oberwerkzeug ist in diesem Fall frei von einem Grundträger und einem Stempel. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass das Unterwerkzeug frei ist von einem Grundträger und einem Stempel, wobei der Grundträger und bevorzugt auch der Stempel nur an dem Oberwerkzeug vorgesehen ist/sind. Es ist aber auch ein Ausführungsbeispiel möglich, bei welchem sowohl an dem Unterwerkzeug als auch an dem Oberwerkzeug ein Grundträger und bevorzugt auch ein Stempel vorgesehen ist/sind.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung, bei welchem sowohl in dem Unterwerkzeug als auch in dem Oberwerkzeug ein Grundträger und vorzugsweise auch ein Stempel vorgesehen sind, kann eine beidseitige Erwärmung der Metallplatine stattfinden.
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In diesem Zusammenhang wird ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Vorrichtung in eine Pressenstation insbesondere für die Umformung der Metallpatine integriert ist. Alternativ ist es möglich, dass die Vorrichtung als Pressenstation ausgebildet ist. Dabei weist die Pressenstation bevorzugt ein Unterwerkzeug und ein Oberwerkzeug auf. Aufgrund der hohen Druckfestigkeit des beheizbaren Keramikelements von ungefähr 2000 MPa und des hohen Elastizitätsmoduls von ungefähr 200 GPa eignet sich das beheizbare Keramikelement, insbesondere wenn es eine Siliziumnitridkeramik umfasst oder daraus besteht, besonders für die Integration in eine Pressenstation. Es kann nämlich den dort auftretenden hohen Drücken ohne weiteres auch im Temperaturbereich bis 1000°C standhalten, ohne dass es zu einer Eigenverformung der Kontaktfläche kommt. Vielmehr ist es sogar möglich, dass das beheizbare Keramikelement in direktem Kontakt den Druck der Pressenstation auf die Metallplatine überträgt.
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Schließlich wird ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass das beheizbare Keramikelement als Platte oder als Stab ausgebildet ist.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 geschaffen wird. Das Verfahren zur Erwärmung von Metallplatinen wird bevorzugt mittels einer Vorrichtung nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele durchgeführt. Es umfasst folgende Schritte: Eine Metallplatine wird in einer Vorrichtung fixiert. Wenigstens ein zu erwärmender Bereich der Metallplatine wird mit wenigstens einem beheizbaren Keramikelement direkt berührt. Das Keramikelement wird beheizt und die Metallplatine wird erwärmt. Dabei erfolgt insbesondere eine Erwärmung der Metallplatine mittels des beheizten Keramikelements in direktem Körperkontakt. In Zusammenhang mit dem Verfahren verwirklichen sich die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Vorrichtung ausgeführt wurden.
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Bevorzugt wird das beheizbare Keramikelement elektrisch bestromt, um es zu beheizen, mithin demnach elektrisch beheizt.
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Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass als Metallplatine eine Blechplatine erwärmt wird. Besonders bevorzugt umfasst die Blechplatine ein Leichtmetall oder eine Leichtmetalllegierung, insbesondere Aluminium oder eine Aluminiumlegierung. Bevorzugt besteht die Blechplatine aus einem Leichtmetall oder einer Leichtmetalllegierung, insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Gerade im Fall einer Blechplatine aus Leichtmetall ist es besonders wichtig, dass keine Diffusion zwischen dem beheizbaren Keramikelement und der Blechplatine stattfindet. Andernfalls würden die Korrosionseigenschaften der Leichtmetall-Blechplatine negativ beeinflusst.
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Schließlich wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Metallplatine in nicht umgeformten Zustand erwärmt wird. Dies bedeutet insbesondere, dass die Metallplatine im Rahmen des Verfahrens vor einem ersten Umformschritt, insbesondere vor einer nachträglichen Umformung erwärmt wird. Dabei dient die Erwärmung der Metallplatine einer erleichterten nachträglichen Umformung. Die Vorteile des Verfahrens verwirklichen sich in besonderer Weise bei einer Ersterwärmung einer Metallplatine vor jeglichem Umformschritt, weil hier im Rahmen des Verfahrens – im Gegensatz zu einer induktiven Erwärmung – keine Verformung der Metallplatine unerwünschter Weise zu befürchten ist und es insbesondere zu keiner Kantenbildung kommt. Das Verfahren eignet sich daher besonders zur Erwärmung von Metallplatinen, die in einer Außenhaut eines Fahrzeugs beziehungsweise als Beplankungsbauteile eingesetzt werden, wie beispielsweise Metallplatinen, die vorgesehen sind, um eine Kraftfahrzeug-Seitenwand zu bilden, weil sie mithilfe des Verfahrens ohne jegliche unerwünschte Verformung erwärmt werden können.
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Die Beschreibung der Vorrichtung einerseits und des Verfahrens andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Insbesondere sind Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit der Vorrichtung beschrieben wurden, bevorzugt einzeln oder in Kombination miteinander Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Umgekehrt sind Merkmale der Vorrichtung, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren beschreiben wurden, bevorzugt einzeln oder in Kombination miteinander Merkmale eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung, und
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2 eine schematische Darstellung eines Grundträgers mit beheizbaren Keramikelementen für die Vorrichtung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 1 zur Erwärmung einer Metallplatine 3. Hierzu weist die Vorrichtung 1 eine Erwärmungseinrichtung 5 auf, die angeordnet und ausgebildet ist zur direkten Kontakterwärmung zumindest eines Bereichs der Metallplatine 3, hier der gesamten Metallplatine 3.
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Die Erwärmungseinrichtung 5 weist einen bevorzugt plattenförmigen Grundträger 7 auf, auf dem eine Mehrzahl von beheizbaren Keramikelementen befestigt ist, von denen der besseren Übersichtlichkeit wegen nur eines mit dem Bezugszeichen 9 bezeichnet ist. Die Keramikelemente 9 weisen eine Kontaktfläche 11 auf, die zur direkten Berührung des zu erwärmenden Bereichs der Metallplatine 3 ausgebildet ist.
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Bevorzugt sind die Keramikelemente 9 austauschbar, insbesondere in Hinblick auf ihre konkrete Anordnung und/oder Position veränderbar, an dem Grundträger 7 befestigt.
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Es zeigt sich, dass die Keramikelemente 9 auf einer Wirkseite 13 des Grundträgers 7 angeordnet sind, wobei die Wirkseite 13 im Betrieb der Vorrichtung 1 der Metallplatine 3 zugewandt ist. Der Wirkseite 13 und damit im Betrieb der Vorrichtung 1 auch der Metallplatine 3 abgewandt weist der Grundträger 7 eine Rückseite 15 auf. An dieser ist ein Stempel 17 angeordnet, mit dem der Grundträger 7 an die Metallplatine 3 angedrückt werden kann.
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Die Vorrichtung 1 umfasst hier ein Unterwerkzeug 19, das lediglich schematisch angedeutet ist, sowie ein ebenfalls nur schematisch angedeutetes Oberwerkzeug 21. Dabei sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Grundträger 7 und der Stempel 17 an dem Unterwerkzeug 19 befestigt. Insbesondere ist hier der Grundträger 7 vermittelt durch den Stempel 17 an dem Unterwerkzeug 19 befestigt. Die Metallplatine 3 wird im Betrieb der Vorrichtung 1 zwischen dem Oberwerkzeug 21 und der Kontaktfläche 11 fixiert und dort fest und sicher gehalten, während sie durch die beheizbaren Keramikelemente 9 erwärmt wird.
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Es ist möglich, dass der Grundträger 7 und der Stempel 17 alternativ an dem Oberwerkzeug 21 befestigt sind. Weiterhin ist es möglich, dass zusätzlich zu dem Unterwerkzeug 19 auch das Oberwerkzeug 21 einen Stempel 17 und einen Grundträger 7 aufweist, wobei dann die Metallplatine 3 zwischen zwei Kontaktflächen von Keramikelementen fixiert und eingespannt wird, um sie effizient, schnell und homogen erwärmen zu können.
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Besonders bevorzugt ist die Vorrichtung 1 in eine Pressenstation integriert oder selbst als Pressenstation, insbesondere als Pressenwerkzeug für die Umformung der Metallplatine 3, ausgebildet.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Grundträgers 7 für die Vorrichtung 1, an dem eine Mehrzahl von beheizbaren Keramikelementen 9 angeordnet ist, von denen der besseren Übersichtlichkeit wegen wiederum lediglich eines mit dem Bezugszeichen 9 gekennzeichnet ist. Dabei zeigt sich anhand von 2, dass es möglich ist, dass der Grundträger 7 an seiner Wirkseite 13 eine Vielzahl verschieden ausgebildeter Keramikelemente 9 aufweist, die verschiedene Größen und/oder verschiedene Formen aufweisen können. Dabei kann die Anordnung der Keramikelemente 9 bevorzugt beliebig auf der Wirkseite 13 verändert werden, um die Vorrichtung 1 an eine bestimmte Erwärmungsaufgabe, beispielsweise an eine bestimmte Metallplatine und/oder an bestimmte zu erzielende Materialeigenschaften der zu erwärmenden Metallplatine 3 anzupassen.
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Selbstverständlich ist es alternativ auch möglich, dass alle an dem Grundträger 7 befestigten Keramikelemente 9 identisch ausgebildet sind.
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Bevorzugt wird eine Ausbildung der Keramikelemente 9 als Platten oder Stäbchen.
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Es zeigt sich noch, dass die einzelnen Keramikelemente 9 an dem Grundträger 7 vorzugsweise separat elektrisch bestrombar sind, sodass sie unabhängig voneinander beheizt werden können.
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Insgesamt zeigt sich, dass es mittels der Vorrichtung 1 und des Verfahrens möglich ist, die Metallplatine 3 verformungsfrei und ohne Diffusion sehr schnell aufzuheizen, wobei flexible Wärme-Layouts möglich und Erwärmungsbereiche frei wählbar sind. Insbesondere ist eine Größe eines zu erwärmenden Bereichs der Metallplatine 3 frei wählbar. Weiterhin ist auch eine beidseitige Erwärmung möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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