DE102016010822B4

DE102016010822B4 - Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur, Vorrichtung zur Herstellung einer Wabenstruktur und Wabenstruktur

Info

Publication number: DE102016010822B4
Application number: DE102016010822.3A
Authority: DE
Inventors: Satoshi Sakashita; Hiroyuki Nagaoka
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2015-09-11
Filing date: 2016-09-08
Publication date: 2018-05-30
Anticipated expiration: 2036-09-09
Also published as: JP2017051931A; US20170072588A1; DE102016010822A1; US10414065B2; JP6488216B2

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur, die mit Trennwänden, die Trennflächen aufweisen, versehen ist, die mehrere Zellen bilden, umfassend den Schritt des mehrfachen Wiederholens eines Strukturformungsprozesses, wobei der Strukturformungsprozess
a) einen Schritt zum Platzieren eines porenbildenden Materials zum Bilden von Poren in den Trennwänden,
b) einen Rohmaterialplatzierungsschritt zum Platzieren tafelförmiger Körnchen und Rohmaterialkörnchen derart, dass die tafelförmigen Körnchen in einer vorbestimmten Richtung bezogen auf die Trennflächen geordnet angeordnet werden, während die tafelförmigen Körnchen und die Rohmaterialkörnchen ein Rohmaterial zum Bilden der Trennwände sind, und
c) einen Sinterschritt zum Sintern des platzierten Rohmaterials umfasst.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur, auf eine Vorrichtung zur Herstellung einer Wabenstruktur und eine Wabenstruktur.
Stand der Technik
Bisher waren Wabenstrukturen und dergleichen, die zum Reinigen von Abgasen verwendet werden, als poröse Körper bekannt. Beispielsweise beschreibt PTL 1 ein Verfahren zur Bildung einer Wabenstruktur, in dem ein Körper, der ein organisches Bindemittel und ein Formungsgemisch (Cordierit-Formungsmaterial) umfasst, das zumindest hydrophilen Talk und kein anderes Magnesium enthaltendes Material als Talk enthält, unter Erzeugung eines Wabenformkörpers in eine Wabenform gebracht wird und der Wabenformkörper unter Erhalt einer Wabenstruktur gebrannt wird. In dem Herstellungsverfahren wird hydrophiler Talk verwendet, und so wird das Fließvermögen verbessert, selbst wenn der Wassergehalt in dem Körper gering ist, und die Extrusion kann bei einer hohen Geschwindigkeit durchgeführt werden.
Zitatenliste
Patentliteratur
[PTL 1] Japanische Offenlegungsschrift Nr. 2013-216575
Zusammenfassung der Erfindung
Trotzdem kann sich in der Regel eine Wabenstruktur während der Nutzung erhitzen. Daher ist eine hohe Beständigkeit gegen Ausdehnung und Schrumpfung aufgrund der Hitze erforderlich. In der oben beschriebenen PTL 1 wird die Formbarkeit durch die Verwendung des hydrophilen Talks verbessert, jedoch wird die thermische Stabilität nicht ausreichend berücksichtigt. Folglich war eine weitere Verbesserung der thermischen Stabilität erforderlich.
Die vorliegende Erfindung entstand in Anbetracht dieser Probleme, und ihr Hauptgegenstand ist die Bereitstellung eines neuen Verfahrens zur Herstellung einer Wabenstruktur, einer Vorrichtung zur Herstellung einer Wabenstruktur und einer Wabenstruktur, bei der die thermische Stabilität weiter verbessert werden kann.
Um das oben beschriebene Hauptziel zu erreichen, haben die betreffenden Erfinder umfangreiche Untersuchungen vorgenommen. Im Ergebnis wurde festgestellt, dass die thermische Stabilität einer Wabenstruktur weiter verbessert werden konnte, indem eine Wabenstruktur unter Anwendung einer dreidimensionalen Formgebungsvorrichtung hergestellt wurde, in der tafelförmige Körnchen in einer vorbestimmten Richtung angeordnet waren. In der Folge entstand die vorliegende Erfindung.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur, die mit Trennwänden versehen ist, die mehrere Zellen bilden. Das Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur umfasst den Schritt der mehrfachen Wiederholung eines Strukturformungsprozesses. Der Strukturformungsprozess umfasst einen Schritt zum Platzieren eines porenbildenden Materials zum Bilden von Poren in den Trennwänden, einen Rohmaterialplatzierungsschritt zum Platzieren tafelförmiger Körnchen und Rohmaterialkörnchen derart, dass die tafelförmigen Körnchen bezogen auf die Trennflächen in einer vorbestimmten Richtung angeordnet werden, während die tafelförmigen Körnchen und die Rohmaterialkörnchen ein Rohmaterial zur Bildung der Trennwände bilden, und einen Sinterschritt zum Sintern des platzierten Rohmaterials.
Eine Vorrichtung zur Herstellung einer Wabenstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Herstellung einer Wabenstruktur, die mit Trennwänden versehen ist, die mehrere Zellen bilden. Die Vorrichtung zur Herstellung einer Wabenstruktur umfasst einen Abschnitt zum Platzieren eines porenbildenden Materials, das Poren in den Trennwänden bildet, einen Rohmaterialplatzierungsabschnitt zum Platzieren tafelförmiger Körnchen und Rohmaterialkörnchen derart, dass die tafelförmigen Körnchen bezogen auf die Trennflächen in einer vorbestimmten Richtung angeordnet werden, während die tafelförmigen Körnchen und die Rohmaterialkörnchen ein Rohmaterial zur Bildung der Trennwände bilden, einen Sinterabschnitt zum Sintern des platzierten Rohmaterials und einen Steuerabschnitt zum Steuern der mehrfachen Wiederholung der Platzierung des porenbildenden Materials, der Platzierung des Rohmaterials und des Sinterns des Rohmaterials.
Eine Wabenstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst Trennwände, die Cordierit enthalten, wobei die Kristallkörnchen basierend auf den tafelförmigen Körnchen in dem Rohmaterial senkrecht zu den Trennflächen angeordnet sind, und die Zellen bilden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die thermische Stabilität einer Wabenstruktur weiter verbessert werden. Der Grund hierfür ist vermutlich beispielsweise der nachstehend beschriebene. Betrachtet man beispielsweise die aus dem Cordierit gebildete Wabenstruktur in PTL 1 oben, können Kaolin, das tafelförmige Körnchen bildet, und Talk, das keine tafelförmigen Körnchen bildet, als das Rohmaterial verwendet werden, und Cordierit-Kristallkörnchen können durch Brennen erzeugt werden. Ebenso können die tafelförmigen Körnchen derartige Eigenschaften haben, dass die Temperaturcharakteristik, z. B. der Wärmeausdehnungskoeffizient, auf Basis einer Kristallachse verschieden ist. Dann können die Trennwand bildende Kristallkörnchen in Abhängigkeit von der Richtung der Kristallachse der tafelförmigen Körnchen während des Brennens wachsen. In der vorliegenden Erfindung kann die thermische Stabilität, z. B. Wärmeschockbeständigkeit, basierend auf dem Wärmeausdehnungskoeffizienten unter Verwendung tafelförmiger Körnchen und Rohmaterialkörnchen mit diesen Merkmalen und Anordnen der tafelförmigen Körnchen in einer bevorzugten vorbestimmten Richtung weiter verbessert werden.
Figurenliste

1 ist eine schematische erläuternde graphische Darstellung, die ein Beispiel für eine dreidimensionale Formgebungsvorrichtung 10 zeigt.
2 ist eine erläuternde graphische Darstellung, die ein Beispiel für eine Wabenstruktur 40 zeigt.
3 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Beispiel für eine dreidimensionale Wabenstruktur-Formungsroutine zeigt.
4 ist eine erläuternde graphische Darstellung, die eine dreidimensionale Formungsroutine für die Wabenstruktur zeigt.
5 ist eine erläuternde graphische Darstellung der Wabenstruktur 40B, bei der die vorbestimmte Richtung der tafelförmigen Körnchen verändert ist.
6 ist eine erläuternde graphische Darstellung der dreidimensionalen Formgebungsvorrichtung 10 mit in Flächenrichtung gestapelter Wabenstruktur.
7 ist eine erläuternde graphische Darstellung einer Wabenstruktur 40C, bei der die vorbestimmte Richtung der tafelförmigen Körnchen verändert ist.
8 ist eine erläuternde graphische Darstellung, die eine dreidimensionale Formungsroutine einer Wabenstruktur zeigt, bei der die vorbestimmte Richtung der tafelförmigen Körnchen verändert ist.

Beschreibung der Ausführungsformen
Die Ausführungsformen zur Umsetzung der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. 1 ist eine schematische erläuternde graphische Darstellung, die ein Beispiel für eine dreidimensionale Formgebungsvorrichtung 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 2 ist eine schematische erläuternde graphische Darstellung, die ein Beispiel für die Konfiguration einer Wabenstruktur 40 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Diesbezüglich gestalten sich bei der dreidimensionalen Formgebungsvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Querrichtung (X-Achse), die Vorwärts- und Rückwärtsrichtung (Y-Achse) und die vertikale Richtung (Z-Achse) wie in 1 gezeigt. Überdies ist bezüglich der Wabenstruktur 40 die Ausbildungsrichtung der Zelle 44 als Achsenrichtung gekennzeichnet, und die Richtung orthogonal zur Ausbildungsrichtung der Zelle 44 ist als Flächenrichtung gekennzeichnet (2).
(Wabenstruktur)
Zu Beginn wird die Wabenstruktur 40 gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Wie in 2 gezeigt, umfasst die Wabenstruktur 40 gemäß der vorliegenden Ausführungsform Trennwände 42, die die Zellen 44 bilden, und ein Schutzelement 48 ist um ihren Umfang angeordnet. Die Wabenstruktur 40 wird beispielsweise mit dem Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt. Bezüglich der äußeren Form der Wabenstruktur 40 gibt es keine besondere Einschränkung, und es kann die Form eines kreisförmigen Zylinders, eines quadratischen Prismas, eines elliptischen Zylinders oder einer sechseckigen Säule eingesetzt werden. Die Form des Querschnitts der Zelle 44 kann die polygonale Form eines Dreiecks, Vierecks, Sechsecks oder Achtecks, eine Stromlinienform, z. B. ein Kreis oder eine Ellipse, oder Kombinationen davon sein. Diesbezüglich zeigt 2 ein Beispiel für eine Wabenstruktur 40, die eine kreisförmige zylindrische äußere Form aufweist und rechteckige Zellen 44 umfasst. Die Wabenstruktur 40 kann ein Wabenfilter sein, in dem Zellen 44 mit einem offenen Endabschnitt und einem verschlossenen Endabschnitt und Zellen 44 mit einem verschlossenen Endabschnitt und einem offenen Endabschnitt abwechselnd angeordnet sind. Ebenso kann eine Sammelschicht auf der Trennfläche 45 angeordnet sein.
Bei der Wabenstruktur 40 ist die Trennwand 42 porös und beispielsweise aus tafelförmigen Körnchen gefertigt, die als Rohmaterial dienen. Bevorzugt ist die Trennwand 42 beispielsweise Cordierit, erzeugt aus Kaolin, das tafelförmige Körnchen bildet, und Talk, das Rohmaterialkörnchen bildet. Die Dicke der Trennwand 42 beträgt bevorzugt 50 µm oder mehr und 600 µm oder weniger. Der durchschnittliche Porendurchmesser der Trennwand 42 beträgt bevorzugt 2 µm oder mehr und 60 µm oder weniger. Ebenso beträgt die Porosität der Trennwand 42 bevorzugt 30 Volumenprozent oder mehr und stärker bevorzugt 35 Volumenprozent oder mehr. Ebenso beträgt die Porosität der Trennwand 42 bevorzugt 85 Volumenprozent oder weniger und stärker bevorzugt 65 Volumenprozent oder weniger. Hier beziehen sich die Porosität und der durchschnittliche Porendurchmesser auf die Ergebnisse einer Messung mittels eines Quecksilber-Penetrationsverfahrens. Der Wärmeausdehnungskoeffizient der Trennwand 42 liegt bevorzugt im Bereich von 2,5 × 10^-6/°C oder weniger und stärker bevorzugt im Bereich von 0,8 × 10^-5/°C oder weniger bei 800 °C in der Richtung der Trennfläche 45. Beträgt der Wärmeausdehnungskoeffizient 2,5 × 10^-6/°C oder weniger, können Brechen und Reißen der Wabenstruktur 40 beim Erwärmen, Abkühlen und dergleichen weiter unterbunden werden.
Die Trennwand 42 kann Cordierit enthalten, wobei die ebenen Flächen der Kristallkörnchen 46, die auf den tafelförmigen Körnchen des Rohmaterials basieren, senkrecht zur Trennfläche 45 (siehe 2) angeordnet (ausgerichtet) sind. Diese Anordnungsrichtung ist bevorzugt, da die Wärmeausdehnung in der Flächenrichtung der Wabenstruktur 40 weiter unterbunden werden kann. Das Cordierit verfügt über das Merkmal, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient von der Richtung des Kristallkörnchens 46 abhängt. Ebenso kommt es zum Körnchenwachstum des Kristallkörnchens 46 in Abhängigkeit der Richtung der Kaolinkörnchen, die die tafelförmigen Körnchen des Rohmaterials bilden. Bei der Wabenstruktur 40 können die Kristallkörnchen 46 des Cordierits in einer vorbestimmten Richtung angeordnet werden, indem die tafelförmigen Körnchen des Rohmaterials in der vorbestimmten Richtung angeordnet und fixiert werden. In der Folge kann die Temperaturcharakteristik der Wabenstruktur weiter verbessert werden. Alternativ kann bei der Wabenstruktur 40 die Trennwand 42 Cordierit enthalten, wobei die ebenen Flächen der Kristallkörnchen 46, die auf den tafelförmigen Körnchen des Rohmaterials basieren, parallel zur Trennfläche 45 angeordnet sind (siehe 5). Diesbezüglich kann, wenn die Anordnungsrichtung der Kristallkörnchen 46 der Wabenstruktur 40 parallel zur Trennfläche 45 ist, die Wärmeausdehnung in der Achsenrichtung der Wabenstruktur 40 weiter unterbunden werden. Alternativ können die Kristallkörnchen 46 in irgendeiner Richtung an irgendeiner Stelle angeordnet werden. Beispielsweise können die ebenen Flächen der Kristallkörnchen 46 der Wabenstruktur 40 parallel zur Trennfläche 45 an vorbestimmten Stellen in der Achsenrichtung und senkrecht zur Trennfläche 45 an anderen Stellen angeordnet werden.
Die Wabenstruktur 40 kann beispielsweise als ein Träger eines Drei-Wege-Katalysators zur Abgasreinigung verwendet werden. Die Trennwand 42 kann beispielsweise einen Katalysator tragen, z. B. ein Edelmetall. Alternativ kann die Wabenstruktur 40 als ein Träger zum Bilden eines Trennfilms, der eine vorbestimmte Komponente von einem Gas oder einer Flüssigkeit trennt, indem der Trennfilm auf der Trennfläche 45 gebildet wird, verwendet werden. Ebenso kann die Wabenstruktur 40 als ein Filter mit einer Funktion zum Filtern von Feststoffteilchen (PM) in einem Abgas verwendet werden.
(Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur)
Als nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Dieses Herstellungsverfahren ist ein Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur, die mit Trennwänden zur Bildung mehrerer Zellen versehen ist. Das Herstellungsverfahren umfasst zumindest einen Schritt zum Platzieren eines porenbildenden Materials zum Bilden von Poren in den Trennwänden und einen Rohmaterialplatzierungsschritt zum Platzieren tafelförmiger Körnchen und Rohmaterialkörnchen derart, dass die tafelförmigen Körnchen in einer vorbestimmten Richtung bezogen auf die Trennflächen angeordnet werden, während die tafelförmigen Körnchen und die Rohmaterialkörnchen ein Rohmaterial zum Bilden der Trennwände bilden. Ein ungebrannter Presskörper einer Wabenstruktur (Wabenpresskörper) kann mittels Durchführung des Schritts zum Platzieren eines porenbildenden Materials und des Rohmaterialplatzierungsschritts hergestellt werden. Ebenso kann das Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur ferner einen Sinterschritt zum Sintern des Wabenpresskörpers umfassen. Alternativ kann das Herstellungsverfahren einen Strukturformungsprozess umfassen, der den Schritt zum Platzieren eines porenbildenden Materials, den Rohmaterialplatzierungsschritt und den Sinterschritt umfasst, und der Strukturformungsprozess kann mehrere Male wiederholt werden. In der Folge können aus dem gebildeten porenbildenden Material und dem Rohmaterial nacheinander beispielsweise Wabenstrukturschichten gebildet werden. Ebenso kann vor dem Schritt zum Platzieren eines porenbildenden Materials nach Bedarf ein Trägermaterial-Platzierungsschritt zum Platzieren eines Trägermaterials zum Tragen des Rohmaterials ausgeführt werden. Dieses Herstellungsverfahren kann unter Anwendung einer dreidimensionalen Formgebungsvorrichtung, die nachstehend ausführlich beschrieben wird, ausgeführt werden.
(Trägermaterial-Platzierungsschritt)
In diesem Schritt erfolgt die Platzierung des Trägermaterials zum Tragen des Rohmaterials. Das Trägermaterial wird beispielsweise auf einem Untersatz zum Tragen der Wabenstruktur, einem Trägermaterial, das angeordnet worden ist, einem nicht gebrannten Presskörper, in dem das Rohmaterial platziert worden ist, oder einem Sinterkörper, in dem das Rohmaterial gesintert worden ist, platziert. Diesbezüglich ist bei der Platzierung des porenbildenden Materials und der Platzierung des Rohmaterials, wie später beschrieben, das Objekt, auf dem das Material platziert wird, dasselbe wie das Objekt bei der Platzierung des Trägermaterials. In diesem Schritt wird das Trägermaterial so platziert, dass die Form der angestrebten Wabenstruktur reproduziert wird. Beispielsweise wird das Trägermaterial, wenn das Rohmaterial angeordnet ist, in einem Bereich platziert, in dem der Sinterkörper nicht als eine darunter liegende Schicht angeordnet ist, (beispielsweise einem überhängenden Abschnitt) oder in einem Bereich, der einem Raum entspricht, z. B. einer Zelle. Das Trägermaterial kann aus einem schwer sinterbaren Material oder Keramikkörnchen bestehen. Beispiele für Keramikkörnchen umfassen Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Sand, SiC, Aluminiumtitanat, Mullit, Siliciumnitrid, Sialon, Zirkoniumdioxid und Titandioxid. Werden Keramikkörnchen als das Trägermaterial verwendet, kann beispielsweise das Rohmaterial zum Bilden der Wabenstruktur (tafelförmige Körnchen oder Rohmaterialkörnchen) verwendet werden. Wird das Rohmaterial zum Bilden der Wabenstruktur als das Trägermaterial verwendet, können der Trägermaterial-Platzierungsschritt und der Rohmaterialplatzierungsschritt gleichzeitig oder als ein einzelner Schritt ausgeführt werden. Alternativ kann das Trägermaterial aus einem leicht entfernbaren Harz oder dergleichen bestehen. Wird das Harz für das Trägermaterial verwendet, kann das Harz dasselbe sein wie das als das porenbildende Material verwendete. Beispiele für Harze umfassen Thermoplasten, lichthärtbare Harze und hitzehärtbare Harze. Beispiele für Thermoplasten umfassen Polyethylene, Polypropylene, Polystyrole, Polyvinylchloride, Polyester, Polyamide, Acrylnitril-Butadien-Styrol- (ABS-) -Harze, Polycarbonatharze und Polymilchsäure- (PLA-) -Harze. Lichthärtbare Harze umfassen UV-härtbare Harze und dergleichen. Beispiele für UV-härtbare Harze umfassen Acrylat-basierte Harze, z. B. Urethanacrylat, Acrylharzacrylat und Epoxidacrylat, und Epoxid-basierte Harze. Beispiele für hitzehärtbare Harze umfassen Phenolharze, Epoxidharze, Melaminharze, Harnstoffharze, ungesättigte Polyesterharze, Alkydharze, Polyurethane und hitzehärtbare Polyimide.
(Schritt zum Platzieren eines porenbildenden Materials)
In diesem Schritt erfolgt die Platzierung des porenbildenden Materials, das Poren in den Trennwänden bildet. Das porenbildende Material muss aus nur einem Material, das beispielsweise in einem folgenden Schritt eliminiert werden kann, bestehen. Das porenbildende Material kann ein Harz sein, das durch Erwärmen oder Auflösen eliminiert werden kann, oder kann Keramikkörnchen sein, die physikalisch entfernt werden können. Beispiele für Harze umfassen die oben beschriebenen Thermoplasten, lichthärtbaren Harze und hitzehärtbaren Harze. Bevorzugt wird das porenbildende Material so platziert, dass beispielsweise eine ideale Porenstruktur experimentell auf der Basis einer Strukturanalyse, Simulation und dergleichen bestimmt wird und die resultierende Porenstruktur reproduziert wird. Das porenbildende Material kann beispielsweise in Schichten platziert werden, die unter Berücksichtigung der Größen der die Trennwände bildenden Körnchen oder auf einer Schicht-für-Schicht-Basis bestimmt wurden. Was das porenbildende Material betrifft, können partikuläre Elemente platziert werden, oder es kann ein flüssiges Element platziert und verfestigt werden. Ist das porenbildende Material das Harz, können das Fused Deposition Modeling (FDM), bei dem ein erwärmtes Harz platziert und danach abgekühlt und verfestigt wird, oder Stereolithographie (SLA), bei der ein Harz vor dem Härten platziert und photochemisch gehärtet wird, zum Einsatz kommen.
(Rohmaterialplatzierungsschritt)
In diesem Schritt erfolgt die Platzierung des Rohmaterials auf dem platzierten porenbildenden Material oder in dem um das porenbildende Material gebildeten Raum (Spalt). Ebenso erfolgt in diesem Schritt die Platzierung tafelförmiger Körnchen als das Rohmaterial zum Bilden der Trennwände der Wabenstruktur derart, dass die tafelförmigen Körnchen in einer vorbestimmten Richtung bezogen auf die Trennfläche angeordnet werden. In diesem Schritt können tafelförmige Körnchen platziert werden, indem sie aus einem in einer bezogen auf die Trennfläche vorbestimmten Richtung platzierten Schlitz zugeführt werden. So kann die Richtung der tafelförmigen Körnchen in einer vorbestimmten Richtung relativ leicht unter Nutzung des Schlitzes kontrolliert werden. In diesem Schritt können tafelförmige Körnchen und Rohmaterialkörnchen, die nicht tafelförmig sind, als das Rohmaterial zum Bilden der Wabenstruktur verwendet werden. Es können tafelförmige Körnchen mit einer ebenen Fläche und einer Größe im Bereich von 0,5 µm oder mehr und 10 µm oder weniger verwendet werden. Der Spaltungsindex (cleavage index) der tafelförmigen Körnchen beträgt 0,84 oder mehr, bevorzugt 0,93 oder mehr und stärker bevorzugt 0,96 oder mehr. Der Spaltungsindex wird gemäß dem in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 2006-265034 beschriebenen Verfahren gemessen. Ebenso können die tafelförmigen Körnchen und die Rohmaterialkörnchen, die als das Rohmaterial verwendet werden, so in ein Lösungsmittel gemischt werden, dass eine Aufschlämmung oder Paste entsteht, und die resultierende Aufschlämmung oder Paste, die als ein Rohmaterial zur Bildung der Trennwand dient, kann in einem vorgesehenen Abschnitt platziert werden. Beispiele für Lösungsmittel umfassen Wasser und organische Lösungsmittel, z. B. Alkohole und Aceton. Alternativ kann die Trennwand durch Ausbringen eines Pulvers ohne Verwendung eines Lösungsmittels gebildet werden. Jetzt können die einzelnen Körnchen unter Verwendung eines Fixierungsmaterials zum Fixieren der Körnchen fixiert werden. Hier bezieht sich die Größe der tafelförmigen Körnchen auf einen Durchschnittswert der Größen der tafelförmigen Körnchen, gemessen unter Verwendung eines Bildes, das mit einem Elektronenmikroskop erfasst wurde. Ebenso bezieht sich die durchschnittliche Körnchengröße der Rohmaterialkörnchen auf den mittleren Durchmesser (D50) der Rohmaterialkörnchen, gemessen unter Verwendung eines Laserbeugungs-/-streuungs-Teilchengrößenverteilungs-Analysegerätes, wobei das Dispersionsmedium Wasser ist.
In diesem Schritt kann die Wabenstruktur durch wiederholte Platzierung des Rohmaterials in der Richtung (die in 2 gezeigte Achsenrichtung) entlang der Trennfläche gebildet werden. Alternativ kann die Wabenstruktur durch wiederholte Platzierung des Rohmaterials in der Richtung (die in 2 gezeigte Flächenrichtung) senkrecht zur Trennfläche gebildet werden (siehe 6). In diesem Schritt können die ebenen Flächen der tafelförmigen Körnchen senkrecht zur Trennfläche angeordnet werden. So kann die Stabilität bezogen auf Ausdehnung und Schrumpfung in der Richtung der ebenen Flächen der tafelförmigen Körnchen sichergestellt werden. Nun können die ebenen Flächen der tafelförmigen Körnchen senkrecht zur Trennfläche angeordnet werden, und die ebenen Flächen der tafelförmigen Körnchen können in der Richtung (die in 2 gezeigte Achsenrichtung) parallel zur Zellenausbildungsrichtung angeordnet werden (siehe 2). Alternativ können die ebenen Flächen der tafelförmigen Körnchen senkrecht zur Trennfläche angeordnet werden, und die ebenen Flächen der tafelförmigen Körnchen können in der Richtung (die in 2 gezeigte Oberflächenrichtung) orthogonal zur Zellenausbildungsrichtung angeordnet werden (siehe 7). Alternativ können in diesem Schritt die ebenen Flächen der tafelförmigen Körnchen parallel zur Trennfläche angeordnet werden (siehe 5). Auch in diesem Fall kann die Stabilität bezogen auf die Ausdehnung und Schrumpfung in der Richtung der ebenen Flächen der tafelförmigen Körnchen sichergestellt werden. In dem Rohmaterialplatzierungsschritt können zur Bildung der Cordierit enthaltenden Trennwand die tafelförmigen Körnchen Kaolinkörnchen enthalten, und die Rohmaterialkörnchen können Talkkörnchen enthalten. So kann die thermische Stabilität der Cordierit-basierten Wabenstruktur weiter verbessert werden. In diesem Schritt können die tafelförmigen Körnchen und die Rohmaterialkörnchen vermischt platziert werden, oder die tafelförmigen Körnchen und Rohmaterialkörnchen können separat platziert werden. Aus Sicht der Bildung von Kristallkörnchen durch Sintern (Reaktion) der tafelförmigen Körnchen und Rohmaterialkörnchen werden die tafelförmigen Körnchen und Rohmaterialkörnchen stärker bevorzugt vermischt platziert.
(Sinterschritt)
In diesem Schritt erfolgt das Sintern des platzierten Rohmaterials. Ebenso kann in diesem Schritt das Entfernen des porenbildenden Materials zusammen mit dem Sintern des Rohmaterials erfolgen. Stärker bevorzugt erfolgen das Sintern des Rohmaterials und das Entfernen des porenbildenden Materials gleichzeitig. Umfasst das Rohmaterial die tafelförmigen Körnchen und Rohmaterialkörnchen, kann das Sintern unter der Bedingung erfolgen, dass diese gesintert (umgesetzt) werden. Wenn beispielsweise Kaolin und Talk das Rohmaterial bilden, erfolgt das Sintern bevorzugt durch ein Lasersinterverfahren (SLS-Verfahren). Dieses Verfahren ist bevorzugt, weil das Cordierit relativ einfach erzeugt werden kann. Beispiele für Arten des Lasers umfassen einen Feststofflaser, z. B. den Nd:YAG-Laser, und einen Gaslaser, z. B. einen CO₂-Laser. Alternativ kann der Sinterschritt unter Nutzung der Lichtbogenentladung erfolgen.
In dem oben beschriebenen Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur wird die Wabenstruktur durch Wiederholen des Trägermaterial-Platzierungsschrittes, des Schrittes zum Platzieren eines porenbildenden Materials, des Rohmaterialplatzierungsschrittes und des Sinterschrittes hergestellt. Danach wird ein Schutzelement um den Umfang der resultieren Wabenstruktur gebildet. Das Schutzelement kann durch Aufbringen einer Keramikkörnchen enthaltenden Paste oder Aufschlämmung um den Umfang ohne Öffnung der Zelle 44 und Brennen gebildet werden.
(Vorrichtung zur Herstellung der Wabenstruktur)
Im Anschluss wird eine dreidimensionale Formgebungsvorrichtung 10, die eine Vorrichtung zur Herstellung einer Wabenstruktur ist, beschrieben. Wie in 1 gezeigt, ist die dreidimensionale Formgebungsvorrichtung 10 eine Vorrichtung zur Herstellung einer Wabenstruktur 40, die mit Trennwänden 42 versehen ist, die mehrere Zellen 44 bilden. Wie in 1 gezeigt, umfasst die dreidimensionale Formgebungsvorrichtung 10 einen Kopfbewegungsabschnitt 11, einen Formkopf 12, einen Untersatz 16, einen Hebeabschnitt 17, einen Formgegenstand-Aufnahmeabschnitt 18, einen Steuerabschnitt 21 und einen Speicherabschnitt 22.
Der Kopfbewegungsabschnitt 11 bewegt den Formkopf 12 in die Vorwärts- und Rückwärts-(XY-) -Richtung. Der Kopfbewegungsabschnitt 11 umfasst ein Gleitstück, das von Führungsschienen geführt und in der XY-Richtung bewegt wird, und einen Motor für den Antrieb des Gleitstückes. Der Formkopf 12 ist an dem Gleitstück befestigt und wird von dem Kopfbewegungsabschnitt 11 in der XY-Richtung bewegt. Der Formkopf 12 platziert das porenbildende Material und das Rohmaterial und sintert überdies das Rohmaterial. Der Formkopf 12 umfasst eine Rohmaterialdüse 13, eine Düse für das porenbildende Material 14 und einen Sinterabschnitt 15. Die Rohmaterialdüse 13 ist eine Düse zum Platzieren der tafelförmigen Körnchen und Rohmaterialkörnchen derart, dass die tafelförmigen Körnchen in der vorbestimmten Richtung bezogen auf die Trennfläche angeordnet werden, während die tafelförmigen Körnchen und die Rohmaterialkörnchen das Rohmaterial zur Bildung der Trennwand bilden. Die Rohmaterialdüse 13 weist einen Endöffnungsabschnitt auf, der schlitzförmig ausgebildet ist und die tafelförmigen Körnchen und Rohmaterialkörnchen ausbringt, während die ebenen Flächen der tafelförmigen Körnchen einheitlich in der Schlitzrichtung angeordnet sind. Die Düse für das porenbildende Material 14 ist eine Düse zum Platzieren des porenbildenden Materials, das Poren in der Trennwand bildet. Ist das porenbildende Material ein Harz, kann der Formkopf 12 mit einem dem Harz entsprechenden Verfestigungsabschnitt versehen sein. Ist das porenbildende Material beispielsweise ein lichthärtbares Harz, ist ein Verfestigungsabschnitt vorgesehen, der Licht zum Härten ausstrahlt. Der Sinterabschnitt 15 sintert das platzierte Rohmaterial und verbrennt das platzierte porenbildende Material. Der Sinterabschnitt 15 kann das Rohmaterial beispielsweise durch Laserbestrahlung sintern. Beispiele für Arten des Lasers umfassen einen Feststofflaser, z. B. einen Nd:YAG-Laser, und einen Gaslaser, z. B. einen CO₂-Laser. Der Formkopf 12 kann mit einer Trägermaterialdüse versehen sein, die ein anderes Trägermaterial als das porenbildende Material zum Tragen des Rohmaterials und dergleichen ausbringt.
Der Untersatz 16 ist ein Gerüst (Grundwerkstoff), auf dem das Rohmaterial und das porenbildende Material gebildet werden, und die Wabenstruktur 40 wird darauf platziert. Der Untersatz 16 ist eine rechteckige Platte und wird in dem Formgegenstand-Aufhahmeabschnitt 18, der ein in der Mitte der Vorrichtung gebildeter Raum ist, von dem Hebeabschnitt 17 vertikal bewegt. Der Formgegenstand-Aufhahmeabschnitt 18 ist ein rechteckiges Parallelepiped oder kubischer Raum, der nach oben offen ist, und besteht aus vier rechteckigen Wänden und einer rechteckigen Grundfläche. Der Formgegenstand-Aufhahmeabschnitt 18 ist unter dem Kopfbewegungsabschnitt 11 und dem Formkopf 12 angeordnet. Der Formgegenstand-Aufhahmeabschnitt 18 ist eine Stelle zur Platzierung eines Formwerkstoffes (Wabenstruktur 40), hergestellt mit der dreidimensionalen Formgebungsvorrichtung 10. Beispielsweise kann der Formgegenstand-Aufnahmeabschnitt 18 so geformt sein, dass er eine den Außenmaßen der Wabenstruktur 40 entsprechende Größe hat, so dass die herzustellende Wabenstruktur 40 aufgenommen werden kann. Der Hebeabschnitt 17 ist ein Mechanismus zum vertikalen Bewegen des Untersatzes 16. Beispielsweise kann der Hebeabschnitt 17 aus einem Kugelgewinde und einem Antriebsmotor für den Antrieb des Kugelgewindes bestehen oder kann einen Kolben und einen Antriebsabschnitt für den Antrieb des Kolbens umfassen. Der Hebeabschnitt 17 bewegt den Untersatz 16 so nach unten, dass die Position in der Höhenrichtung der mit dem Formkopf 12 gebildeten Wabenstruktur 40 konstant gehalten wird. Die Wabenstruktur 40 wird in dem Formgegenstand-Aufhahmeabschnitt 18 geformt.
Der Steuerabschnitt 21 steuert die gesamte Vorrichtung und ist so konfiguriert, dass er beispielsweise als ein Mikroprozessor dient, dessen Mittelstück die CPU ist. Der Steuerabschnitt 21 gibt Steuersignale an den Kopfbewegungsabschnitt 11, den Formkopf 12, den Hebeabschnitt 17 und dergleichen aus und veranlasst so die mehrfache Wiederholung der Platzierung des porenbildenden Materials, der Platzierung des Rohmaterials und des Sinterns des Rohmaterials. Der Speicherabschnitt 22 speichert Daten und Programme bezüglich der Steuerung der Vorrichtung. Der Speicherabschnitt 22 speichert Daten zum porösen Körper 23, Programme zum dreidimensionalen Formen und dergleichen. Die Daten zum porösen Körper 23 sind Daten, die die Porenstruktur (beispielsweise die Struktur bezüglich Positionen, Größen und dergleichen der Poren in den Trennwänden 42), die Trennwandstruktur (beispielsweise die Struktur bezüglich der Dicke der Trennwand 42, der Größe der Zelle 44, Lagebeziehungen zwischen mehreren Zellen 44 und dergleichen) und dergleichen der Wabenstruktur 40 umfassen. Beispielsweise können die Daten zum porösen Körper 23 Voxeldaten sein, die mehrere Voxel, bei denen die Positionen durch XYZ-Koordinaten dargestellt sind, und Informationen bezogen auf die Zuordnung der einzelnen Voxel zur Trennwand 42, der Pore oder der Zelle 44 umfassen. Die Daten zum porösen Körper 23 können Daten sein, die durch CT-Scannen bezogen auf die tatsächliche Wabenstruktur 40 erhalten werden, oder Daten, die durch Weiterverarbeitung der gescannten Daten erhalten werden. Alternativ können die Daten zum porösen Körper 23 Daten sein, die empirisch durch eine Strukturanalyse einer idealen Porenstruktur oder -simulation bestimmt werden. Der Steuerabschnitt 21 betreibt und steuert den Kopfbewegungsabschnitt 11, den Formkopf 12 und den Hebeabschnitt 17 so, dass die Struktur der Daten zum porösen Körper 23 reproduziert wird.
Als nächstes wird der Herstellungsprozess der Wabenstruktur 40 durch die dreidimensionale Formgebungsvorrichtung 10 beschrieben. 3 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Beispiel für eine dreidimensionale Wabenstruktur-Formungsroutine zeigt. 4 ist eine erläuternde graphische Darstellung, die ein Beispiel für eine dreidimensionale Formung der Wabenstruktur 40 mittels der dreidimensionalen Wabenstruktur-Formungsroutine zeigt. 4 (a) bis (d) sind Schnittansichten in der Richtung entlang der Trennfläche 45. 4 (e) bis (h) sind jeweils Schnittansichten der 4 (a) bis (d) entlang der in 4 (a) oder ihrem Äquivalent gezeigten Linie A-A. Hier wird hauptsächlich die Herstellung der Wabenstruktur 40 beschrieben, bei der die ebenen Flächen 35 der tafelförmigen Körnchen 34 (siehe 4 (c)) senkrecht zur Trennfläche 45 und parallel zur Zellenausbildungsrichtung (die in 2 gezeigte Achsenrichtung) angeordnet sind. Wie in 1 gezeigt, erzeugt die dreidimensionale Formgebungsvorrichtung 10 die Wabenstruktur 40 platziert in vertikaler Richtung, so dass die Oberseite des Untersatzes 16 und die Flächenrichtung der Wabenstruktur 40 horizontal werden. Ebenso führt die dreidimensionale Formgebungsvorrichtung 10 jede Behandlung auf einer Schicht-für-Schicht-Basis durch, wobei die Dicke der Schicht auf der Größe der tafelförmigen Körnchen 34 basiert.
Die dreidimensionale Wabenstruktur-Formungsroutine ist im Speicherabschnitt 22 gespeichert und wird gemäß einer Eingabe vom Bediener in ein Bedienfeld ausgeführt. Zu Beginn der Routine veranlasst zunächst der Steuerabschnitt 21 die Bewegung des Untersatzes 16 des Formgegenstand-Aufnahmeabschnitts 18 in eine Ausgangsposition (Schritt S100). Die Ausgangsposition des Untersatzes 16 kann im Voraus beispielsweise als die Höhe bestimmt werden, bei der ein Ausgangsschritt in dem Strukturformungsprozess (zum Beispiel der Trägermaterial-Platzierungsschritt) ausgeführt werden kann. Anschließend erfasst der Steuerabschnitt 21 Daten, die die als nächste auf der Basis der Daten zum porösen Körper 2 in der Wabenstruktur 40 zu bildende Strukturschicht 3 umfassen (Schritt S110). In der vorliegenden Ausführungsform bildet die dreidimensionale Formgebungsvorrichtung 10 die Wabenstruktur 40 in der Richtung entlang der Trennfläche 45 der Trennwand 42 aus, das heißt, entlang der in 2 gezeigten Achsenrichtung. Diesbezüglich können in Schritt S110 die Daten zum porösen Körper 23 Daten sein, die jede der Schicht der Struktur darstellen, und der Steuerabschnitt 21 kann eine Datenschicht durch Lesen der betreffenden Daten erfassen, oder der Steuerabschnitt 21 kann Daten durch Verarbeiten der Daten zum porösen Körper 23 erfassen und so eine Datenschicht bilden.
Als nächstes veranlasst der Steuerabschnitt 21 die Platzierung des Trägermaterials auf der Basis der erfassten Daten (Schritt S120). Hier wird das Harz des porenbildenden Materials als das Trägermaterial verwendet. Es wird veranlasst, dass das Trägermaterial beispielsweise in einem Bereich platziert wird, der ein Raum bezogen auf die Wabenstruktur 40 und ein Bereich ist, auf dem später das Rohmaterial platziert werden soll. Der Steuerabschnitt 21 veranlasst den Kopfbewegungsabschnitt 11, den Formkopf 12 in der Querrichtung und die Vorwärts- und Rückwärtsrichtung zu bewegen, und die Düse für das porenbildende Material 14, das Harz in den oben beschriebenen Bereich auszubringen, um so das Harz zu verfestigen.
Wie in den 4 (a) und (e) gezeigt, veranlasst der Steuerabschnitt 21 die Platzierung des Trägermaterials 32 beispielsweise in dem der Zelle 44 entsprechenden Bereich.
Dann veranlasst der Steuerabschnitt 21 die Platzierung des porenbildenden Materials (Schritt S130). Der Steuerabschnitt 21 veranlasst die Platzierung des porenbildenden Materials derart, dass den Poren in der Wabenstruktur 40 entsprechende Bereiche reproduziert werden. Der Steuerabschnitt 21 veranlasst den Kopfbewegungsabschnitt 11, den Formkopf 12 in der Querrichtung und der Vorwärts- und Rückwärtsrichtung zu bewegen, und die Düse für das porenbildende Material 14, das Harz in die Porenbereiche auszubringen, um so das Harz zu verfestigen. Wie in den 4 (b) und (f) gezeigt, veranlasst der Steuerabschnitt 21 die Platzierung des porenbildenden Materials 33 in den Bereichen, die den in der Trennwand 42 zu bildenden Poren entsprechen. Danach veranlasst der Steuerabschnitt 21 die Platzierung des Rohmaterials derart, dass die tafelförmigen Körnchen 34 in einer vorbestimmten Richtung angeordnet werden (Schritt S140). Der Steuerabschnitt 21 veranlasst die Platzierung des Rohmaterials derart, dass der Trennwand 42 in der Wabenstruktur 40 entsprechende Bereiche reproduziert werden. Wie in den 4 (c) und (g) gezeigt, veranlasst nun der Steuerabschnitt 21 die Ausbringung der tafelförmigen Körnchen 34, während die Richtung des Schlitzes der Rohmaterialdüse 13 auf die Richtung festgelegt ist, die für die Anordnung der ebenen Flächen 35 der tafelförmigen Körnchen 34 beispielsweise senkrecht zur Trennfläche 45 geeignet ist. Als das Rohmaterial kann beispielsweise ein Gemisch aus den tafelförmigen Körnchen 34 (zum Beispiel Kaolin) und Rohmaterialkörnchen (zum Beispiel Talk) verwendet werden. Anschließend veranlasst der Steuerabschnitt 21 das Sintern des platzierten Rohmaterials (Schritt S150). Der Steuerabschnitt 21 veranlasst den Sinterabschnitt 15 zu Scannen und veranlasst den Sinterabschnitt 15 zur Bestrahlung mit einem Laser, damit das platzierte Rohmaterial gesintert wird. Wie in den 4 (d) und (h) gezeigt, wird das platzierte porenbildende Material 33 abgebrannt, die Trennwand 42 wird gebildet, und zusätzlich werden Poren in der Trennwand 42 gebildet (die Poren sind in der Zeichnung nicht gezeigt).
Anschließend beurteilt der Steuerabschnitt 21 unter Berücksichtigung des Wiedergabezustands der Daten zum porösen Körper 23, ob eine nächste Platzierung erforderlich ist oder nicht (Schritt S160). Ist eine nächste Platzierung erforderlich, wird veranlasst, dass sich der Untersatz 16 nach Bedarf nach unten bewegt (Schritt S170), und die Behandlungen von Schritt S110 und der folgenden Schritte werden wiederholt ausgeführt. Das heißt, der Steuerabschnitt 21 erfasst die Daten einer nächsten Schicht und veranlasst nach Bedarf die Platzierung des Trägermaterials, die Platzierung des porenbildenden Materials, die Platzierung der in einer vorbestimmten Richtung angeordneten tafelförmigen Körnchen und das Sintern des die tafelförmigen Körnchen enthaltenden Rohmaterials. Wird andererseits in Schritt S160 entschieden, dass es keine nächste Behandlung gibt, das heißt, die Wabenstruktur 40 vollständig ist, veranlasst der Steuerabschnitt 21 die Bewegung des Untersatzes 16 in die Ausgangsposition und beendet die Routine. Mit diesen Schritten kann eine Wabenstruktur 40 erzeugt werden, die über eine ideale Porenstruktur verfügt und in der die Kristallkörnchen in einer vorbestimmten Richtung angeordnet sind (siehe 2).
Nunmehr wird die Entsprechung zwischen den Teilfaktoren der vorliegenden Ausführungsform und den Teilfaktoren der vorliegenden Erfindung verdeutlicht. Der Formkopf 12 und die Düse für das porenbildende Material 14 entsprechen in der vorliegenden Ausführungsform dem Abschnitt zum Platzieren eines porenbildenden Materials in der vorliegenden Erfindung, der Formkopf 12 und die Rohmaterialdüse 13 entsprechen dem Abschnitt zum Platzieren eines Rohmaterials, der Formkopf 12 und der Sinterabschnitt 15 entsprechen dem Sinterabschnitt, und der Steuerabschnitt 21 entspricht dem Steuerabschnitt.
In dem Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur gemäß der oben beschriebenen vorliegenden Ausführungsform sind die tafelförmigen Körnchen mit unterschiedlichen Temperaturcharakteristik, z. B. Wärmeausdehnungskoeffizient, auf der Basis einer Kristallachse in den bevorzugten Richtungen angeordnet, und die Körnchen werden durch Sintern gezüchtet. Daher können beispielsweise die thermische Stabilität, z. B. die Wärmeschockbeständigkeit auf der Basis des Wärmeausdehnungskoeffizienten, der Wabenstruktur weiter verbessert werden. Ebenso werden die tafelförmigen Körnchen 34 platziert, indem sie aus der Rohmaterialdüse 13, die einen Schlitzt aufweist, der in der vorbestimmten Richtung bezogen auf die Trennfläche 45 angeordnet ist, zugeführt werden, und daher können die Richtungen der tafelförmigen Körnchen relativ leicht unter Nutzung des Schlitzes angeordnet werden. Ferner sind die ebenen Flächen 35 der tafelförmigen Körnchen 34 senkrecht zur Trennfläche 45 angeordnet, und daher kann die thermische Stabilität in der Oberflächenrichtung der Wabenstruktur 40 weiter verbessert werden. Beispielsweise können bei der Herstellung der Wabenstruktur durch Extrusion die tafelförmigen Körnchen nicht senkrecht zur Trennfläche angeordnet werden. Gemäß der dreidimensionalen Formgebungsvorrichtung 10 kann jedoch eine solche Anordnung frei durchgeführt werden. Überdies werden bei der Verwendung der Kaolinkörnchen umfassenden tafelförmigen Körnchen 34 und der Talkkörnchen umfassenden Rohmaterialkörnchen 36 die tafelförmigen Körnchen 34 in der vorbestimmten Richtung angeordnet, und daher kann die thermische Stabilität der Cordierit enthaltenden Trennwand 42 weiter verbessert werden. Ebenso werden die tafelförmigen Körnchen 34 und die Rohmaterialkörnchen 36 gemischt platziert, und es kommt während des Sinterns leicht zu einer Reaktion zwischen ihnen. Ebenso wird die Wabenstruktur 40 in der Richtung (Flächenrichtung) senkrecht zur Trennfläche 45 ausgebildet, und es kann die Wabenstruktur 40 erzeugt werden, bei der die ebenen Flächen der Kristallkörnchen 46 in der Flächenrichtung angeordnet sind. Ferner werden der Schritt zum Platzieren eines porenbildenden Materials und der Rohmaterialplatzierungsschritt unter Anwendung der dreidimensionalen Formgebungsvorrichtung 10 durchgeführt, und daher kann eine Wabenstruktur mit einer idealen Porenstruktur erzeugt werden, und es kann mit einem relativ hohen Freiheitsgrad eine Wabenstruktur erzeugt werden, bei der die Kristallkörnchen 46 in der vorbestimmten Richtung angeordnet sind.
Gemäß dem Herstellungsverfahren des Standes der Technik, bei dem Extrusion angewandt wird, wird die Wabenstruktur beispielsweise durch Zuführen des Rohmaterials (Körper) zu einem Extruder und Hindurchleiten durch ein Mundstück unter Bildung der Wabenstruktur erzeugt. Der Mischkörper ist vor dem Durchleiten durch das Mundstück jedoch ein homogenes Gemisch aus verschiedenen Materialien. Daher sind die Porenmerkmale, z. B. Porosität und durchschnittlicher Porendurchmesser, der Wabenstruktur nach dem Brennen des Materials und der Verteilung der Materialien grundsätzlich einheitlich in der Struktur. Andererseits werden gemäß dem Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur der vorliegenden Ausführungsform die Platzierungspositionen, die Platzierungsmengen und dergleichen des porenbildenden Materials 33, der tafelförmigen Körnchen 34 und der Rohmaterialkörnchen 36 frei gesteuert, und so können die Porenmerkmale, z. B. Porosität und durchschnittlicher Porendurchmesser, Verteilung der Materialien (Bestandteilselemente, Kristallphasen und dergleichen), Zellstrukturen, Zellformen, Querschnittsformen und dergleichen in der Achsenrichtung (Gesamtlängenrichtung) und Flächenrichtung (Durchmesserrichtung) in der Wabenstruktur frei verändert werden. Ebenso können gemäß dem Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur der vorliegenden Ausführungsform die Strukturmerkmale der Wabenstruktur durch Steuern der Platzierungsrichtung der tafelförmigen Körnchen frei verändert werden. Folglich können bei der Wabenstruktur der vorliegenden Ausführungsform beispielsweise die Porenmerkmale, z. B. Porosität und durchschnittlicher Porendurchmesser, und das Material selbst in der Achsenrichtung und in der Flächenrichtung der Wabenstruktur frei verändert werden. Beispielsweise kann die Abgasreinigungsleistung verbessert werden, die Menge an Katalysatoren, die Edelmetalle enthalten, kann verringert werden, und die Kosten können reduziert werden.
Gleichzeitig umfasst die dreidimensionale Formgebungsvorrichtung 10, die eine Vorrichtung zur Herstellung einer Wabenstruktur gemäß der Ausführungsform ist, die Rohmaterialdüse 13, die Düse für das porenbildende Material 14, den Sinterabschnitt 15 und den Steuerabschnitt 21, wobei die tafelförmigen Körnchen mit unterschiedlicher Temperaturcharakteristik, z. B. Wärmeausdehnungskoeffizient, auf der Basis einer Kristallachse in der bevorzugten Richtung angeordnet sind und die Körnchen während des Brennens gezüchtet werden. Daher kann beispielsweise die thermische Stabilität, z. B. Wärmeschockbeständigkeit basierend auf dem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der Wabenstruktur weiter verbessert werden.
Ebenso umfasst die Wabenstruktur 40 Cordierit enthaltende Trennwände 42, in denen die aus den tafelförmigen Körnchen 34 in dem Rohmaterial resultierenden Kristallkörnchen 46 senkrecht zu den Trennflächen 45 angeordnet sind und die Zellen 44 bilden. Daher kann beispielsweise die thermische Stabilität, z. B. Wärmeschockbeständigkeit basierend auf dem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der Wabenstruktur weiter verbessert werden.
Diesbezüglich ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt und kann natürlich in verschiedenen Formen im technischen Umfang der vorliegenden Erfindung umgesetzt werden.
Beispielsweise sind bei der Wabenstruktur 40 der oben beschriebenen Ausführungsform die ebenen Flächen der Kristallkörnchen 46 senkrecht zu den Trennflächen 45 und parallel zur Ausbildungsrichtung der Zelle 44 (die in 2 gezeigte Achsenrichtung) angeordnet, was aber nicht darauf beschränkt ist. Wie beispielsweise in 5 gezeigt, kann eine Wabenstruktur 40B eingesetzt werden, bei der die ebenen Flächen der Kristallkörnchen 46 parallel zu den Trennflächen 45 angeordnet sind (die in 2 gezeigte Achsenrichtung). 5 ist eine erläuternde graphische Darstellung der Wabenstruktur 40B, bei der die vorbestimmte Richtung der tafelförmigen Körnchen verändert ist. Auch in diesem Fall kann eine Wabenstruktur mit dem neuen Herstellungsverfahren erzeugt werden. Auch die Temperaturcharakteristik der Wabenstruktur kann verbessert werden.
In der oben beschriebenen Ausführungsform ist die Wabenstruktur 40 in der Richtung entlang der Trennfläche 45 ausgebildet (die in 2 gezeigte Achsenrichtung). Wie jedoch in 6 gezeigt, kann die Wabenstruktur auch orthogonal zur Trennfläche 45 ausgebildet sein (die in 2 gezeigte Flächenrichtung). 6 ist eine erläuternde graphische Darstellung der dreidimensionalen Formgebungsvorrichtung 10 mit einer in der Flächenrichtung gestapelten Wabenstruktur. Hier erzeugt die dreidimensionale Formgebungsvorrichtung 10 die Wabenstruktur 40, während die Wabenstruktur 40 horizontal so platziert ist, dass die Oberseite des Untersatzes 16 und die Achsenrichtung der Wabenstruktur 40 horizontal werden. Auch in diesem Fall kann eine Wabenstruktur erzeugt werden, bei der die tafelförmigen Körnchen in der vorbestimmten Richtung angeordnet sind.
Bei der Wabenstruktur 40 der oben beschriebenen Ausführungsform sind die ebenen Flächen der Kristallkörnchen 46 senkrecht zu den Trennflächen 45 und parallel zur Zellenausbildungsrichtung angeordnet (die in 2 gezeigte Achsenrichtung), was aber nicht darauf beschränkt ist. Wie in 7 gezeigt, kann beispielsweise auch eine Wabenstruktur 40C eingesetzt werden, bei der die ebenen Flächen der Kristallkörnchen 46 senkrecht zur Trennfläche 45 und orthogonal zur Ausbildungsrichtung der Zelle 44 angeordnet sind (die in 2 gezeigte Flächenrichtung). Es wird ein Verfahren zur Herstellung der Wabenstruktur 40C beschrieben. Bezüglich der in 6 gezeigten Wabenstruktur 40C wird die Wabenstruktur erzeugt, während sie in der Querrichtung platziert ist. 8 ist eine erläuternde graphische Darstellung der dreidimensionalen Formung der Wabenstruktur 40C, bei der die vorbestimmte Richtung der tafelförmigen Körnchen verändert ist. 8 (a) bis (d) sind Schnittansichten in der Richtung entlang der Trennfläche 45. 8 (e) bis (h) sind jeweils Schnittansichten der 8 (a) bis (d) entlang der in 8 (a) oder ihrem Äquivalent gezeigten Linie A-A. Auch bei der Herstellung der Wabenstruktur 40C wird die oben beschriebene dreidimensionale Wabenstruktur-Formungsroutine ausgeführt. Der Steuerabschnitt 21 veranlasst beispielsweise die Bildung des Trägermaterials 32 in einem Bereich, der der Zelle 44 entspricht, oder unter einem Überhangabschnitt (8 (a) und (e)). Danach veranlasst der Steuerabschnitt 21 die Platzierung des porenbildenden Materials 33 derart, dass den in der Trennwand 42 auszubildenden Poren entsprechende Bereiche reproduziert werden (8 (b) und (f)), und veranlasst die Platzierung des Rohmaterials derart, dass der der Trennwand 42 entsprechende Bereich reproduziert wird (8 (c) und (g)). Das Rohmaterial wird platziert, während die Richtung des Schlitzes der Rohmaterialdüse 13 auf die Richtung festgelegt ist, die zum Anordnen der ebenen Flächen 35 der tafelförmigen Körnchen 34 senkrecht zur Trennfläche 45 und orthogonal zur Ausbildungsrichtung der Zelle 44 (die in 2 gezeigte Flächenrichtung) festgelegt wird. Anschließend veranlasst der Steuerabschnitt 21 den Sinterabschnitt 15 zu Scannen und veranlasst den Sinterabschnitt 15 einen Laser auszustrahlen, um so das platzierte Rohmaterial zu sintern (8 (d) und (h)). Folglich kann eine Wabenstruktur erzeugt werden, bei der die tafelförmigen Körnchen in der vorbestimmten Richtung angeordnet sind.
In der oben beschriebenen Ausführungsform werden der Trägermaterial-Platzierungsschritt, der Schritt zum Platzieren eines porenbildenden Materials, der Rohmaterialplatzierungsschritt und der Sinterschritt in dieser Reihenfolge durchgeführt. Es können aber auch andere Reihenfolgen zum Einsatz kommen, oder zumindest zwei Schritte können in Kombination oder gleichzeitig durchgeführt werden, solange der poröse Körper erzeugt werden kann. Gleichzeitig ist es nicht erforderlich, dass alle mehrmaligen Strukturformungsprozesse in derselben Reihenfolge durchgeführt werden, und einige Strukturformungsprozesse können verschieden sein von anderen Strukturformungsprozessen. Beispielsweise kann der Steuerabschnitt 21 den Rohmaterialplatzierungsschritt nach der Ausführung des Schrittes zum Platzieren eines porenbildenden Materials in zumindest einem Strukturformungsprozess der mehrmaligen Strukturformungsprozesse ausführen. Alternativ kann zumindest einer von dem Trägermaterial-Platzierungsschritt, dem Schritt zum Platzieren eines porenbildenden Materials, dem Rohmaterialplatzierungsschritts und dem Sinterschritt in einigen Strukturformungsprozessen weggelassen werden. Beispielsweise wird der Schritt zum Platzieren eines porenbildenden Materials in einigen Strukturformungsprozessen von den mehrmaligen Strukturformungsprozessen nicht durchgeführt.
In der oben beschriebenen Ausführungsform veranlasst der Steuerabschnitt 21 das Entfernen des porenbildenden Materials 33 durch Abbrennen im Sinterschritt, das Verfahren ist jedoch nicht darauf beschränkt. Ein Entfernungsschritt zum Entfernen des porenbildenden Materials 33 kann separat vom Sinterschritt durchgeführt werden. Beispielsweise kann das porenbildende Material 33 vor oder nach dem Sinterschritt durch Erwärmen des porenbildenden Materials 33 mittels des Sinterabschnitts 15 entfernt werden. Ebenso ist es nicht erforderlich, dass der Entfernungsschritt des porenbildenden Materials 33 in dem Strukturformungsprozess durchgeführt wird. Beispielsweise kann nach der Bildung der Gesamtform der Wabenstruktur 40 das porenbildende Material 33 in der geformten Wabenstruktur 40 auf einmal durch Erwärmen entfernt werden. Wird das porenbildende Material 33 auf einmal entfernt, kann beispielsweise ein in der dreidimensionalen Formgebungsvorrichtung 10 enthaltenes Heizelement angewandt werden, und der Steuerabschnitt 21 kann den Entfernungsschritt unter Erwärmen in dem Gehäuse durchführen, oder der Bediener kann die Wabenstruktur 40 aus der dreidimensionalen Formgebungsvorrichtung 10 herausnehmen und den Entfernungsschritt unter Anwendung einer anderen Vorrichtung durchführen. Alternativ kann das porenbildende Material durch ein anderes Verfahren als Erwärmen entfernt werden. Beispielsweise kann, nachdem der Bediener die Wabenstruktur 40 aus der dreidimensionalen Formgebungsvorrichtung 10 entnommen hat, das porenbildende Material durch Auflösen des porenbildenden Materials mit einer Flüssigkeit (Lösungsmittel oder dergleichen) entfernt werden. Beispiele für derartige porenbildende Materialien umfassen wasserlösliche Harze. Wird das porenbildende Material im Sinterschritt nicht eliminiert, kann ein in dem Sinterschritt nicht eliminiertes Material als das porenbildende Material verwendet werden.
In der oben beschriebenen Ausführungsform führt der Steuerabschnitt 21 den Schritt zum Platzieren eines porenbildenden Materials unter Anwendung desselben Verfahrens wie das Fused Deposition Modeling durch, aber es können auch andere Verfahren angewandt werden, solange das porenbildende Material zum Bilden von Poren in dem porösen Körper platziert werden kann. Beispielsweise kann der Steuerabschnitt 21 die Platzierung des porenbildenden Materials unter Anwendung des PolyJet-Verfahrens (auch als Tintenstrahl-Verfahren bezeichnet) veranlassen. Das heißt, der Steuerabschnitt 21 kann veranlassen, dass die Düse für das porenbildende Material 14 ein flüssiges porenbildendes Material (beispielsweise UVhärtbares Harz) so auswirft, dass das porenbildende Material auf dem Untersatz 16 platziert wird, und UV-Licht veranlassen, UV-Strahlen so auszustrahlen, dass das platzierte porenbildende Material gehärtet wird. In diesem Fall kann UV-Licht zum Ausstrahlen von UV-Strahlen unter dem Formkopf 12 angeordnet werden. Auch in diesem Fall kann das porenbildende Material auf dieselbe Weise wie in der oben beschriebenen Ausführungsform platziert werden. Diesbezüglich ist das UV-härtbare Harz ein Material, das durch Erwärmen eliminiert wird und daher im Sinterschritt auf dieselbe Weise wie in der oben beschriebenen Ausführungsform entfernt werden kann.
In der oben beschriebenen Ausführungsform ist festgelegt, dass das porenbildende Material 33 ein Material ist, das nach dem Platzieren gehärtet wird. Das porenbildende Material nach der Platzierung ist jedoch nicht darauf beschränkt, sondern kann beispielsweise eine Paste oder Körnchen sein. Es kann beispielsweise eine Stärke oder Stärkekörnchen enthaltende Paste als das porenbildende Material verwendet werden. Diesbezüglich wird die Stärke durch Erwärmen eliminiert und kann daher im Sinterschritt auf dieselbe Weise wie in der oben beschriebenen Ausführungsform entfernt werden. Ist das porenbildende Material eine Paste oder Körnchen, erfolgt die Platzierung des porenbildenden Materials mittels Streuen von oben unter Verwendung eines Beschichters oder dergleichen. In diesem Fall kommt es nicht so leicht zu einer Positionsabweichung des porenbildenden Materials.
In der oben beschriebenen Ausführungsform ist festgelegt, dass das porenbildende Material Harz, Keramikkörnchen und dergleichen ist. Es können jedoch auch ein geknetetes Material aus Körnchen, die nicht durch Erwärmen während des Sinterschrittes eliminiert werden, und ein Material, das geschmolzen und gehärtet werden kann, durch Erwärmen geschmolzen und durch Schmelzen eliminiert wird, verwendet werden. Beispiele für Körnchen, die nicht eliminiert werden, umfassen Keramikkörnchen. Beispiele für Materialien, die durch Schmelzen eliminiert werden, umfassen Harze, z. B. Thermoplasten, lichthärtbare Harze und hitzehärtbare Harze. Werden Körnchen, die nicht eliminiert werden, und auch ein Material, das durch Schmelzen eliminiert wird, als das porenbildende Material verwendet, kann derselbe Schritt zum Platzieren eines porenbildenden Materials wie in der oben beschriebenen Ausführungsform durchgeführt werden. Diesbezüglich kann das Material, das nicht eliminiert wird, mittels eines Gebläses oder dergleichen entfernt werden, nachdem die Wabenstruktur gebildet worden ist. Folglich enthält das porenbildende Material Körnchen, die nicht eliminiert werden, die Körnchen, die nicht eliminiert werden, bleiben nach dem Sinterschritt zurück, und so kann das porenbildende Material im nächsten Strukturformungsprozess weiter auf den Körnchen, die nicht eliminiert werden, platziert werden. Daher können im Vergleich zu der oben beschriebenen Ausführungsform leicht große Poren gebildet werden, die sich über durch mehrere Strukturformungsprozesse gebildete Strukturen erstrecken. Überdies wird verhindert, dass bereits vorhandene Poren im nächsten Strukturformungsprozess mit den tafelförmigen Körnchen 34 und den Rohmaterialkörnchen 36 gefüllt werden, weil die Körnchen, die nicht eliminiert werden, zurückbleiben.
In der oben beschriebenen Ausführungsform ist festgelegt, dass der Sinterabschnitt 15 einen Laser ausstrahlt, was aber nicht darauf beschränkt ist, solange die tafelförmigen Körnchen 34 und die Rohmaterialkörnchen 36 gesintert werden. Es können auch andere Verfahren als das Lasern zum Einsatz kommen. Beispielsweise kann der Sinterabschnitt 15 das Rohmaterial durch Lichtbogenentladung sintern.
In der oben beschriebenen Ausführungsform wird die Laserbestrahlungsposition durch Bewegen des Sinterabschnitts 15 durch den Kopfbewegungsabschnitt 11 gesteuert, was aber nicht darauf beschränkt ist. Beispielsweise kann die Laserbestrahlungsposition durch Verändern der Richtung eines Spiegels zum Reflektieren des Lasers gesteuert werden. Beispielsweise kann der Steuerabschnitt 21 ein bekanntes Galvanometer zum Ändern der Richtung des Spiegels nutzen.
In der oben beschriebenen Ausführungsform werden die Rohmaterialkörnchen und das porenbildende Material unter Verwendung der Rohmaterialdüse 13 und der Düse für das porenbildende Material 14 platziert. Das Verfahren ist jedoch nicht darauf beschränkt, solange jedes Material platziert werden kann, während die Richtung der tafelförmigen Körnchen festgelegt ist. Beispielsweise können zumindest die tafelförmige Körnchen, die Rohmaterialkörnchen oder das porenbildende Material mit einem Spachtel platziert werden.
In der oben beschriebenen Ausführungsform wird der Fall beschrieben, bei dem die Wabenstruktur als ein Beispiel für den porösen Körper erzeugt wird. Der poröse Körper ist aber nicht darauf beschränkt, und es kann auch ein poröser Körper mit einer anderen Form erzeugt werden. Die Materialien zur Bildung der tafelförmigen Körnchen und der Rohmaterialkörnchen sind nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt. In der oben beschriebenen Ausführungsform wird auch der Fall beschrieben, bei dem die Wabenstruktur unter Verwendung einer einzelnen dreidimensionalen Formgebungsvorrichtung 10 erzeugt wird. Das Verfahren ist nicht auf dieses beschränkt, und die Schritte des Strukturformungsprozesses können beispielsweise unter mehreren Vorrichtungen aufgeteilt werden.
In der oben beschriebenen Ausführungsform sind Anwendungen der vorliegenden Erfindung der dreidimensionalen Formgebungsvorrichtung 10, die als die Vorrichtung zur Herstellung eines porösen Körpers dient, und das Verfahren zur Herstellung eines porösen Körpers beschrieben, die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung auf ein Programm angewandt werden, das in dem Speicherabschnitt 22 gespeichert ist und die dreidimensionale Formgebungsvorrichtung 10 veranlasst, die dreidimensionale Formungsroutine auszuführen.
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität aus der japanischen Patentanmeldung Nr. 2015-179728 , eingereicht am 11. September 2015, deren gesamte Inhalte hierin durch Verweis aufgenommen sind.
Industrielle Anwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung kann auf dem Gebiet der Herstellung einer Wabenstruktur angewandt werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur, die mit Trennwänden, die Trennflächen aufweisen, versehen ist, die mehrere Zellen bilden, umfassend den Schritt des mehrfachen Wiederholens eines Strukturformungsprozesses, wobei der Strukturformungsprozess a) einen Schritt zum Platzieren eines porenbildenden Materials zum Bilden von Poren in den Trennwänden, b) einen Rohmaterialplatzierungsschritt zum Platzieren tafelförmiger Körnchen und Rohmaterialkörnchen derart, dass die tafelförmigen Körnchen in einer vorbestimmten Richtung bezogen auf die Trennflächen geordnet angeordnet werden, während die tafelförmigen Körnchen und die Rohmaterialkörnchen ein Rohmaterial zum Bilden der Trennwände sind, und c) einen Sinterschritt zum Sintern des platzierten Rohmaterials umfasst.
Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur nach Anspruch 1, wobei die tafelförmigen Körnchen platziert werden, indem sie in dem Rohmaterialplatzierungsschritt aus einem bezogen auf die Trennflächen in einer vorbestimmten Richtung angeordneten Schlitz zugeführt werden.
Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur nach Anspruch 1 oder 2, wobei die ebenen Flächen der tafelförmigen Körnchen in dem Rohmaterialplatzierungsschritt senkrecht zu den Trennflächen angeordnet werden.
Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur nach Anspruch 1 oder 2, wobei die ebenen Flächen der tafelförmigen Körnchen in dem Rohmaterialplatzierungsschritt parallel zu den Trennflächen angeordnet werden.
Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei in dem Strukturformungsprozess die Cordierit enthaltenden Trennwände gebildet werden und die tafelförmigen Körnchen Kaolinkörnchen umfassen und die Rohmaterialkörnchen Talkkörnchen umfassen.
Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die tafelförmigen Körnchen und die Rohmaterialkörnchen in dem Rohmaterialplatzierungsschritt gemischt platziert werden.
Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei in dem Strukturformungsprozess das porenbildende Material auf einem vorbestimmten Grundwerkstoff oder einem Element platziert wird, das in dem vorhergehenden Strukturformungsprozess gebildet wurde, in dem Schritt zum Platzieren des porenbildenden Materials das Rohmaterial auf dem platzierten porenbildenden Material oder in einem im Rohmaterialplatzierungsschritt um das porenbildende Material gebildeten Raum platziert wird, und in dem Sinterschritt das platzierte Rohmaterial gesintert und gleichzeitig das porenbildende Material entfernt wird.
Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei in dem Strukturformungsprozess die Wabenstruktur in der Richtung entlang der Trennflächen gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei in dem Strukturformungsprozess der Schritt zum Platzieren des porenbildenden Materials und der Rohmaterialplatzierungsschritt unter Anwendung einer dreidimensionalen Formgebungsvorrichtung durchgeführt werden.
Vorrichtung zur Herstellung einer Wabenstruktur, die mit Trennwänden, die Trennflächen aufweisen, versehen ist, die mehrere Zellen bilden, umfassend: einen Abschnitt zum Platzieren eines porenbildenden Materials, das Poren in den Trennwänden bildet; einen Rohmaterialplatzierungsabschnitt zum Platzieren tafelförmiger Körnchen und Rohmaterialkörnchen derart, dass die tafelförmigen Körnchen in einer vorbestimmten Richtung bezogen auf die Trennflächen geordnet angeordnet werden, während die tafelförmigen Körnchen und Rohmaterialkörnchen ein Rohmaterial zum Bilden der Trennwände sind; einen Sinterabschnitt zum Sintern des platzierten Rohmaterials und einen Steuerabschnitt zum Steuern der mehrfachen Wiederholung der Platzierung des porenbildenden Materials, der Platzierung des Rohmaterials und des Sinterns des Rohmaterials.
Wabenstruktur, umfassend Trennwände, die Cordierit enthalten, wobei die ebenen Flächen der Kristallkörnchen basierend auf den tafelförmigen Körnchen in dem Rohmaterial senkrecht zu den Trennflächen angeordnet sind, und die Zellen bilden.
Wabenstruktur nach Anspruch 11, wobei die Trennwände einen Wärmeausdehnungskoeffizienten im Bereich von 2,5 × 10^-6/°C oder weniger bei 800 °C in der Trennflächenrichtung aufweisen.