DE102016216963A1

DE102016216963A1 - Glührohr für eine Glühstiftkerze und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE102016216963A1
Application number: DE102016216963.7A
Authority: DE
Inventors: Julien Waller
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-09-07
Filing date: 2016-09-07
Publication date: 2018-03-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Glührohr (4) für eine Glühstiftkerze (2), wobei das Glührohr (4) zumindest einen Bereich (30) aufweist, in dem ein gradueller Übergang in zumindest zwei Schritten von einem ersten Material auf ein zweites Material vorliegt, wobei das erste Material und das zweite Material unterschiedliche elektrische und/oder thermische Eigenschaften aufweisen. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung eines Glührohrs (4) für eine Glühstiftkerze (2) angegeben, wobei das Glührohr (4) zumindest in einem Bereich mittels eines 3D-Druckverfahrens hergestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Glührohr für eine Glühstiftkerze und ein Verfahren zur Herstellung.
Stand der Technik
Bekannte Glühstiftkerzen, auch als Glühkerze oder GLP (von dem englischen Begriff „glow plug“) bezeichnet, kommen derzeit nicht nur als Kaltstarthilfe in einer Kammer einer Brennkraftmaschine, zum Beispiel einer Vor-, Wirbel- oder Brennkammer eines luftverdichtenden, selbstzündenden Dieselmotors zur Anwendung, sondern auch auf anderen Anwendungsgebieten, wie zum Beispiel als Treibstofferwärmungsmittel in einem Common-Rail-Einspritzsystem eines Flexible-Fuel-Antriebssystems, als Kaltstarthilfe beim Anlassen von mit Kerosin betriebenen Gasturbinen und Ölheizungen oder dergleichen. Bei der Verwendung derartiger Glühstiftkerzen bei selbstzündenden Dieselmotoren kommen diese zur Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches zum Einsatz, wobei sie im kalten Zustand vorgeglüht werden, bevor ihre Temperatur ausreichend hoch ist, so dass sie für die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches ausreicht. Ferner kann es nach dem Start des Dieselmotors zur Verringerung von Emissionen oder dergleichen erforderlich sein, die Glühstiftkerzen zumindest noch einige Zeit weiter zu betreiben, um eine Anhebung der Temperatur im Inneren des Brennraumes zu erreichen. Die Steuerung übernimmt dabei üblicherweise ein elektrisches Glühzeitsteuerungsgerät, auch als GCU (von dem englischen Fachbegriff „glow control unit“) bezeichnet, in Verbindung mit einem Motorsteuerungsgerät, wobei eine kurze Aufheizzeit und ein kontrolliertes Nachglühen der Glühstiftkerze angestrebt werden, um eine kontrollierte Glühtemperaturregelung zu erzielen.
Eine Glühstiftkerze weist dazu üblicherweise einen Glühdraht als elektrische Widerstandsheizung auf, der in einem Glührohr der Glühstiftkerze eingesetzt ist und der durch Anlegen einer Spannung das Glührohr über eine kurze Zeitspanne von 1 bis 2 Sekunden derart erhitzt, dass an der Spitze des Glührohrs eine Temperatur von über 1000 Grad erreicht wird. Die als elektrisches Widerstandselement zum Einsatz kommenden Glühdrähte sind dabei beispielsweise als Wendel ausgebildet, wobei unter dem Begriff „Wendel“ ein schraubenförmig gewundenes Glühdrahtgebilde zu verstehen ist. Der in den Brennraum der Brennkraftmaschine hineinragende Abschnitt des Glührohrs ist üblicherweise neben der Wendel mit einem elektrisch isolierenden Füllpulver gefüllt, beispielsweise Magnesiumoxid, in das die Wendel eingebettet ist. Der elektrische Anschluss erfolgt im Allgemeinen über einen Anschlussbolzen, der mit der Wendel elektrisch leitend verbunden ist. Ein anderes Ende der Wendel ist mit dem Glührohr elektrisch verbunden. An den Anschlussbolzen kann beispielsweise ein Anschlussstecker oder dergleichen aufgeschraubt sein. Eine derartige Glühstiftkerze, welche eine Wendel aus einem einzigen Material mit einem hohen Widerstandstemperaturkoeffizienten aufweist, zum Beispiel Wolfram, Molybdän oder Legierungen daraus, ist beispielsweise aus der DE 10 2013 211 789 A1 bekannt.
Aus WO 01/16529 A1 ist eine Glühstiftkerze bekannt, die ein keramisches Glührohr aufweist. Das keramische Glührohr weist am Brennraum nahen Ende, d. h. an dessen Spitze, eine Heizschicht auf, die gegenüber einer dieser Heizschicht umgebenden Zuleitungsschicht einen höheren elektrischen Widerstand hat, so dass an der Spitze des Glührohrs die größte Heizwirkung erzielt wird. Die Schnittstelle zwischen der Zuleitungsschicht und der Heizschicht wird sowohl mechanisch als auch thermisch und chemisch stark beansprucht. Um ein beständiges und dauerhaftes Bauteil zu schaffen, ist der Fachmann bei der Auswahl des Materials an dieser Stelle stark eingeschränkt.
Offenbarung der Erfindung
Bei einem erfindungsgemäßen Glührohr für eine Glühstiftkerze weist das Glührohr zumindest einen Bereich auf, in dem ein gradueller Übergang in zumindest zwei Schritten von einem ersten Material auf ein zweites Material vorliegt, wobei das erste Material und das zweite Material unterschiedliche elektrische und/oder thermische Eigenschaften aufweisen.
Unter „gradueller Übergang“ wird dabei verstanden, dass in dem Bereich des Übergangs der Anteil des ersten Materials schrittweise abnimmt und der Anteil des zweiten Materials schrittweise zunimmt. Die Anzahl der Schritte ist mindestens zwei, bevorzugt mindestens 3 oder mindestens 5. Bevorzugt umfasst der graduelle Übergang von 3 bis 100 Schritte, weiter bevorzugt 3 bis 50 Schritte.
Bevorzugt erfolgt der graduelle Übergang schichtweise, wobei sich Schicht für Schicht die Anteile des ersten und zweiten Materials verändern. Durch den graduellen Übergang vom ersten auf das zweite Material sind die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Schicht zu Schicht ähnlich, d. h. nicht so unterschiedlich wie bei einem abrupten Übergang, so dass idealerweise im Betrieb Risse im Glührohr durch Temperaturwechsel vermieden werden können und eine erhöhte Lebensdauer für die Glühstiftkerze erzielt werden kann.
Das Glührohr kann mehrere Bereiche aufweisen, in denen jeweils ein gradueller Übergang in zumindest zwei Schritten von dem ersten Material auf das zweite Material vorliegt. Außerdem kann vorgesehen sein, dass das Glührohr einen oder mehrere Bereiche aufweist, in dem ein Übergang von dem ersten Material auf das zweite Material und ein Übergang zurück vom zweiten Material auf das erste Material vorliegt. Weiterhin kann auch vorgesehen sein, dass das Glührohr einen Bereich aufweist, in dem ein Übergang von dem ersten Material auf das zweite Material vorliegt und ein weiterer Übergang vom zweiten Material auf ein drittes Material.
Bevorzugt sind hochtemperaturanwendungsfähige Materialien vorgesehen, insbesondere Materialien, die eine Schmelztemperatur oberhalb von 1000 °C, bevorzugt oberhalb von 1200 °C haben. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Schmelzpunkt oder Sinterpunkt der beiden Materialien sich sehr stark voneinander unterscheidet, beispielsweise mehr als 200 °C oder mehr als 400°C. Durch den graduellen Übergang von in zumindest zwei Schritten von dem ersten Material auf das zweite Material geht auch der Schmelzpunkt oder Sinterpunkt graduell ineinander über, so dass die sogenannte heat affected zone (HAZ) lokal begrenzt ist. Somit wird durch beim Schmelzen und Aufbringen des Materials mit dem höheren Schmelzpunkt das Material mit dem niedrigeren Schmelzpunkt nicht beschädigt oder zerstört.
Bevorzugt weisen das erste Material und das zweite Material unterschiedliche spezifische Widerstände auf, so dass die Heizwirkung der Materialien verschieden ist.
Bevorzugt wird erstes Material verwendet, das eine hohe Heizwirkung hat, und zweites Material verwendet, das elektrisch gut leitend ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das erste Material ein Keramikmaterial auf. Das erste Material kann beispielsweise ein keramisches Verbundgefüge sein, das Al₂O₃, MoSi₂, Si₃N₄ oder Y₂O₃ enthält. Das Verbundgefüge kann auch mehrere oder zwei dieser Verbindungen enthalten. Bevorzugtes Keramikmaterial ist Al₂O₃.
Alternativ hierzu oder zusätzlich hierzu kann das erste Material eine Metall- oder eine Metalllegierung aufweisen. Bevorzugtes alternatives erstes Material ist WC-NiCrBsI.
Das zweite Material weist bevorzugt ein Metall oder eine Metalllegierung auf. Bevorzugtes zweites Material ist eine Legierung auf Basis von Nickel. Die Legierung kann weiterhin Chrom, Eisen, Molybdän, Niob, Kobalt, Mangan, Kupfer, Aluminium, Titan, Silizium, Kohlenstoff, Schwefel, Phosphat oder Bor aufweisen. Eine geeignete Metalllegierung ist beispielsweise die unter dem Markennamen „Incornell“ verfügbare Legierung 718 oder 625.
Es kann vorgesehen sein, dass das erste Material einen Keramikanteil und einen Metallanteil aufweist und dass das zweite Material ebenfalls einen Keramikanteil desselben Keramikmaterials und ebenfalls einen Metallanteil desselben Metalls aufweist. In diesem Fall sind die Materialanteile im ersten Material und im zweiten Material unterschiedlich. Beispielsweise umfasst das erste Material x % Keramikmaterial und 100 – x % Metallmaterial und das zweite Material y % des Keramikmaterials und 100 – y % des Metallmaterials, wobei x und y verschieden voneinander sind. Es können selbstverständlich weitere Zusatzmaterialien vorhanden sein.
Das Glührohr kann einen Kopfbereich und einen Rumpfbereich umfassen. Der Kopfbereich des Glührohrs bildet das Brennkammer-nahe Ende des Glührohrs und der Rumpfbereich das Brennkammer-ferne Ende des Glührohrs.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Kopfbereich das erste Material auf und der Rumpfbereich das zweite Material auf. Beispielsweise werden die Materialien so gewählt, dass im Betrieb der heißeste Punkt am Kopfbereich des Glührohrs vorliegt.
Alternativ kann z. B. vorgesehen sein, dass der Kopfbereich und der Rumpfbereich das zweite Material aufweisen, und dass ein Übergangsbereich zwischen Kopfbereich und Rumpfbereich das erste Material aufweist. Diese Ausführungsform kann Vorteile in der Fertigung haben, z. B. schneller und kostengünstiger gefertigt werden. Da der Übergangsbereich mit weniger Material ausgebildet sein kann als der Kopfbereich, kann bei dieser Ausführungsform das erste Material eingespart werden. Auch können bestimmte Anwendungen vorsehen, dass der heißeste Punkt nicht an der Spitze, d. h. am Kopfbereich des Glührohrs vorliegt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Glührohr einen Zentralstab und einen den Zentralstab umgebenden Mantelabschnitt. Zwischen dem Zentralstab und dem Mantelabschnitt befindet sich ein Spalt. Typischerweise ist vorgesehen, dass der Zentralstab mit einem Anschlussbolzen des Glührohrs elektrisch verbunden ist, wobei der Strom über den Mantelabschnitt abgeleitet wird. Der Spalt kann beispielsweise mit Luft, Vakuum, inertem Gas, mit einem elektrisch isolierenden Füllpulver, beispielsweise Magnesiumoxid, oder mit einem vorkompaktierten Pulver gefüllt sein.
Der graduelle Übergang vom ersten Material auf das zweite Material kann im Bereich des Zentralstabs vorliegen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das erste Material lediglich im Bereich des Zentralstabs vorhanden ist, so dass dort ein Übergang und ein Rückübergang der Materialien vorliegt. Das Heizmaterial ist bei dieser Ausführungsform vorteilhaft vor Korrosion geschützt.
Der graduelle Übergang vom ersten Material auf das zweite Material kann auch im Bereich des Mantelabschnitts vorliegen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das erste Material lediglich im Bereich des Mantelabschnitts vorhanden ist, so dass dort ein Übergang und ein Rückübergang der Materialien vorliegt.
Das erfindungsgemäße Glührohr ist zum Einsatz in einer Glühstiftkerze bestimmt. Entsprechend betrifft die Erfindung auch eine Glühstiftkerze mit einem derartigen Glührohr. Das Glührohr kann auf jede Art in der Glühstiftkerze festgehalten sein, beispielsweise mittels Kraftschluss, Formschluss oder Materialschluss. Bevorzugt werden Lötverbindungen oder Klemmverbindungen.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Glührohrs für eine Glühstiftkerze wird das Glührohr zumindest in einem Bereich mittels eines 3D-Druckverfahrens hergestellt, wobei in dem Bereich ein gradueller Übergang in zumindest zwei Schritten von einem ersten Material auf ein zweites Material geschaffen wird, wobei das erste Material und das zweite Material unterschiedliche elektrische und/oder thermische Eigenschaften aufweisen.
Mittels des 3D-Druckverfahrens kann ein gradueller Übergang insbesondere dadurch erzeugt werden, dass sich die einzelnen gedruckten Schichten materialmäßig voneinander unterscheiden.
Der 3D-Druck wird bei der Herstellung von Prototypen, Kleinserien oder Einzelstücken eingesetzt, setzt sich aber auch in der Massenfertigung durch. Die als 3D-Druck bezeichneten Verfahren haben gemeinsam, dass eine Fertigung von Gegenständen auf Basis eines Computermodells erfolgt. Dabei weist eine 3D-Druckvorrichtung typischerweise ein Hauptsteuergerät auf, welches eine Vorlage bzw. ein Computermodell des zu druckenden Objekts enthält. Das Hauptsteuergerät kann beispielsweise ein Computer sein, welcher mit den Steuereinrichtungen der Geräte kommuniziert. Für die vorliegende Erfindung kann das Computermodell in einem beliebigen Dateiformat im Hauptsteuergerät hinterlegt sein, wobei übliche Dateiformate zum Beispiel SDL, OBJ, CLI/SLC, PLY, VRML, AMF, STEP und IGS umfassen. Aus dem Modell werden zunächst durch sogenanntes „slicen“ horizontale Schnitte durch das Modell gelegt, woraus ein Schema berechnet wird, das die Soll-Positionen der Druckmassen schichtweise beschreibt. Die Soll-Positionen werden daraufhin von einem oder mehreren Druckköpfen zur Ablage von Druckmasse angesteuert.
Bevorzugte 3D-Druckverfahren, mittels welcher das erfindungsgemäße Glührohr hergestellt wird, umfassen EBM (electron beam melting), EBF³ (electron beam free form fabrication), DMLS (direct metal laser sintering), SLM (selective laser melting), SLS (selective laser sintering) und Laserauftragsschweißen (laser cladding), wobei Laserauftragsschweißen bevorzugt ist.
EBM, auch als Elektronenstrahlschmelzen bezeichnet, erzeugt das zu druckende Objekt durch einen Elektronenstrahl als Energiequelle, welcher auf das Druckmaterial gezielt wird, so dass dieses aufgeschmolzen wird. Die Schichten werden dabei mittels einer Rakel aufgebracht, so dass das Bauteil schichtweise generiert wird.
EBF³ setzt einen fokussierten Elektronenstrahl in einer Vakuumumgebung ein, um einen Schmelzpool auf dem Druckmaterial zu erzeugen. Das Verfahren wird beispielsweise in dem Dokument von Taminger, K.M.B. and Hafley, R.A., "Electron Beam Freeform Fabrication: A Rapid Metal Deposition Process," Proceedings of the 3rd Annual Automotive Composites Conference, (2003) beschrieben.
Die unter dem Markennamen DMLS von der Fa. EOS entwickelte 3D-Drucktechnologie setzt einen Ytterbium-Faserlaser ein, der in ein Pulverbett eines Druckmaterials gerichtet wird, um das Objekt durch Schmelzen bzw. Schweißen des Materials zu erzielen.
SLM, auch als selektives Laserschmelzen bezeichnet, verwendet ebenfalls Druckmaterial in Pulverform, das in dünnen Schichten auf einer Grundplatte aufgebracht wird. Das Druckmaterial wird mittels Laserstrahlung geschmolzen. Nach Bildung einer Schicht wird die Grundplatte um den Betrag einer Schichtdicke abgesenkt und erneut Pulver aufgetragen.
SLS, selektives Lasersintern, baut das Werkstück Schicht für Schicht auf, wobei ein Laser, z. B. ein CO₂-Laser, ein ND:YAG-Laser oder ein Faserlaser, zum Einsatz kommt. Das Druckmaterial liegt in Pulverform vor. Das Pulver wird auf eine Bauplattform mit Hilfe einer Rakel oder einer Walze aufgebracht, und die Schichten durch Ansteuerung des Laserstrahls gesintert oder eingeschmolzen.
Bei den Sinterverfahren kann vorgesehen sein, dass zusätzlich ein Bindemittel eingesetzt wird, welches bei einer geringeren Temperatur als der Schmelztemperatur des Druckmaterials verflüssigt werden kann.
Bevorzugt wird der graduelle Übergang vom ersten Material auf das zweite Material bei den beschriebenen Verfahren dadurch geschaffen, dass das Pulverbett des Druckmaterials mit variierten Materialanteilen bereitgestellt wird.
Beim Laserauftragsschweißen erfolgt ein Oberflächenauftrag mittels Aufschmelzen und gleichzeitigem Aufbringen von mittels einer Düse zugeführtem Material. Die Materialzufuhr erfolgt über z. B. Schlepp- oder Koaxialdüsen, wobei durch Materialvorschub und Düsenöffnung die Größe des Materialauftrags festgelegt werden kann. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bevorzugt eine Druckdüse verwendet, in der zwei Materialien verarbeitet werden können, wobei die Materialzufuhr der beiden Materialien getrennt gesteuert werden kann. Das Material muss aber nicht zwangsläufig aus einer Düse herausgebracht werden, sondern kann auch mittels einer Zuleitungsvorrichtung, z. B. ein Roboterarm, herangeführt werden. Der Austrag beim Laserauftragsschweißen kann tröpfchenweise oder Strangweise erfolgen.
Beim Laserauftragsschweißen wird der graduelle Übergang vom ersten Material auf das zweite Material bevorzugt dadurch erzeugt, dass die Materialzufuhr des ersten und zweiten Materials in der Druckdüse gesteuert wird.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Glührohr zeichnet sich durch zumindest einen graduellen Übergang vom ersten Material zum zweiten Material aus, wobei beispielsweise Metall- und Keramikanteile variiert sind.
Durch den graduellen Übergang wird die Schnittstelle zwischen den Materialien sehr resistent gegenüber mechanischen, thermischen und chemischen Einflüssen. Dies ermöglicht z. B. eine größere Auswahl an Materialien für den jeweiligen Einsatzzweck.
Der Materialausschuss ist sehr gering, da ein additives Herstellungsverfahren eingesetzt wird. Weiterhin kann durch den 3D-Druck eine Änderung der Form einfach durch Änderung des Modells erfolgen. Des Weiteren ist auch ein Druck der gesamten Glühstiftkerze im 3D-Verfahren möglich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine seitliche Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Glühstiftkerze,
2 eine seitliche Schnittansicht durch einen Teil eines erfindungsgemäßen Glührohrs gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
3 eine seitliche Schnittansicht durch einen Teil eines erfindungsgemäßen Glührohrs gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
4 eine seitliche Schnittansicht durch einen Teil eines erfindungsgemäßen Glührohrs gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung,
5 eine seitliche Schnittansicht durch einen Teil eines erfindungsgemäßen Glührohrs gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
6a eine schematische Ansicht eines Schnitts durch eine Druckdüse bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Glührohrs zu einem ersten Zeitpunkt,
6b eine schematische Ansicht eines Schnitts durch eine Druckdüse bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Glührohrs zu einem zweiten Zeitpunkt,
6c eine schematische Ansicht eines Schnitts durch eine Druckdüse bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Glührohrs zu einem dritten Zeitpunkt und
7 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Glührohrs gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine seitliche Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Glühstiftkerze 2.
Die Glühstiftkerze 2 umfasst als Brennelement ein Glührohr 4, das in einem Gehäuse 6 angeordnet ist, beispielsweise im Klemmsitz. Am brennraumfernen Ende der Glühstiftkerze 2 erfolgt der elektrische Kontakt über einen Rundstecker 12, der über eine Isolierscheibe 10 vom Gehäuse 6 elektrisch getrennt ist. Der Rundstecker 12 ist im Inneren der Glühstiftkerze 2 über einen Anschlussbolzen 8 mit dem Glührohr 4 verbunden. Der Anschlussbolzen 8 ist mittels einer Gehäusedichtung 16 gegenüber dem Gehäuse 6 elektrisch isoliert. Das Glührohr 4 ist über die Heizkörperdichtung 14 gegenüber der Umgebung isoliert.
Das Glührohr 4 weist einen Kopfbereich 20 und einen Rumpfbereich 22 auf, wobei der Rumpfbereich 22 zum Teil im Gehäuse 6 angeordnet ist. Der Kopfbereich 20 des Glührohrs 4 weist ein erstes Material auf und der Rumpfbereich 22 des Glührohrs 4 weist ein zweites Material auf, wobei in den Zeichnungen die verschiedenen Materialien durch unterschiedliche Einfärbung dargestellt sind.
Das Glührohr 4 umfasst einen Zentralstab 24, welcher bolzenförmig ausgebildet ist. Der Zentralstab 24 ist mit dem Anschlussbolzen 8 elektrisch verbunden, beispielsweise durch einen Presssitz oder durch eine stoffschlüssige Verbindung.
Im Kopfbereich 20 schließt der Zentralstab 24 an einen Mantelabschnitt 28 des Glührohrs 4 an, wobei der Zentralstab 24 und der Mantelabschnitt 28 durch einen Spalt 26 elektrisch gegeneinander isoliert sind. Der Zentralstab 24, der Spalt 26 und der Mantelabschnitt 28 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel nach Art eines Regenschirms angeordnet, wobei der Mantelabschnitt 28 den Kiel des Schirms bildet und der Zentralstab 24 den Stock.
Der Strompfad geht in dieser Ausführungsform durch den Kopfbereich 20, in dem sich das erste Material befindet. Da das erste Material einen höheren elektrischen Widerstand aufweist als das zweite Material, bildet der Kopfbereich 20 des Glührohrs 4 den heißesten Punkt der Glühstiftkerze 2 aus.
Zwischen dem Kopfbereich 20 und dem Rumpfbereich 22 ist ein Bereich 30 vorhanden, in dem ein gradueller Übergang vom ersten Material auf das zweite Material vorliegt. Lage und Form des Bereichs 30 werden mit Bezug zu den 2 bis 5 näher erläutert.
2 zeigt eine seitliche Schnittansicht durch einen Teil eines erfindungsgemäßen Glührohrs 4 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
Das Glührohr 4 weist an seinem Kopfbereich 20 das erste Material und in seinem Rumpfbereich 22 das zweite Material auf. Dabei weisen der dem Kopfbereich 20 zugewandte Abschnitt des Zentralstabs 24 und der dem Kopfbereich 20 zugewandte Abschnitt des Mantelabschnitts 28 das erste Material auf. Der dem Rumpfbereich 22 zugeordnete Abschnitt des Zentralstabs 24 und der dem Rumpfbereich 22 zugeordnete Abschnitt des Mantelabschnitts 28 weisen jeweils das zweite Material auf.
Ein Bereich mit dem ersten Material ist in 2 als eine erste Schicht 32 gekennzeichnet. Beispielsweise kann hier das erste Material in Reinform oder mit einem geringen Zusatz des zweiten Materials vorliegen.
Eine zweite Schicht 34 schließt sich an die erste Schicht 32 an. In der zweiten Schicht 34 liegt hauptsächlich das erste Material vor, mit einem Anteil des zweiten Materials, z. B. in einem Verhältnis von 80 zu 20 Volumen-% oder Gewichts-%.
In einer dritten Schicht 36, welche an die zweite Schicht 34 anschließt, liegen das erste Material und das zweite Material beispielsweise in ähnlich hohen Anteilen vor, z. B. in einem Verhältnis von 50 zu 50 Volumen-% oder Gewichts-%.
In einer vierten Schicht 38, welche an die dritte Schicht 36 anschließt, liegt beispielsweise das zweite Material in einem größeren Anteil vor als das erste Material, z. B. in einem Verhältnis von 80 zu 20 Volumen-% oder Gewichts-%.
In einer fünften Schicht 40, welche den größten Teil des Rumpfbereichs 22 im dargestellten Ausführungsbeispiel bildet, liegt das zweite Material in Reinform oder mit einem geringen Anteil des ersten Materials vor.
Der Bereich 30, in dem der graduelle Übergang vorliegt, wird in diesem Ausführungsbeispiel durch die zweite Schicht 34, die dritte Schicht 36 und die vierte Schicht 38 gebildet. In anderen Ausführungsformen können anstelle der drei Schichten auch zwei, vier, fünf, zehn oder eine Vielzahl von Schichten vorhanden sein. Insbesondere kann vorgesehen sein, bis dazu, dass jede, jede zweite, jede dritte, vierte, fünfte oder zehnte mittels 3D-Druck zu druckende Schicht andere Materialanteile aufweist.
3 zeigt eine seitliche Schnittansicht durch einen Teil eines erfindungsgemäßen Glührohrs 4 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Im Vergleich zu 2 unterscheidet sich die Ausführungsform dadurch, dass sich der Bereich 30, in dem der graduelle Übergang vorliegt, ausschließlich im Bereich des Mantelabschnitts 28 befindet. Der Bereich 30, in dem der graduelle Übergang vorliegt, kann wie mit Bezug zu 2 beschrieben, eine 3-schichte Struktur umfassen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich in dem Bereich 30 allerdings der graduelle Übergang vom zweiten auf das erste Material und ein gradueller Rückübergang vom ersten auf das zweite Material. Das erste Material wird dabei sehr sparsam eingesetzt.
4 zeigt eine seitliche Schnittansicht durch einen Teil eines erfindungsgemäßen Glührohrs 4 gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
Im Vergleich zu der Ausführungsform in 3 liegt der Bereich 30, in dem der graduelle Übergang vom ersten Material zum zweiten Material vorliegt, nicht im Mantelabschnitt 28, sondern ausschließlich im Bereich des Zentralstabs 24. Im dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich in dem Bereich 30 der graduelle Übergang vom zweiten auf das erste Material und ein gradueller Rückübergang vom ersten auf das zweite Material. Das erste Material ist bei dieser Ausführungsform nicht den chemischen und mechanischen Umgebungseinflüssen ausgesetzt, z. B. Korrosion.
5 zeigt eine seitliche Schnittansicht durch einen Teil eines erfindungsgemäßen Glührohrs 4 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Die in 5 dargestellte Ausführungsform zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung des Kopfbereichs 20, welche insbesondere bei der in 2 dargestellten Ausführungsform vorteilhaft ist. Der Kopfbereich 20 umfasst dabei einen konischen Abschnitt 42, bei dem sich der Durchmesser des Glührohrs 4 von einem ersten Durchmesser D₁, welcher dem Durchmesser des Zentralstabs 24 entspricht, auf einen Durchmesser D₂ erweitert, der dem Durchmesser des Mantelabschnitts 28 entspricht. Der Durchmesser nimmt dabei linear zu. Die dargestellte Ausführungsform erweist sich als besonders vorteilhaft bei der zu erwartenden Temperaturverteilung im Betrieb des Glührohrs 4.
6a zeigt eine schematische Ansicht eines Schnitts durch eine Druckdüse bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Glührohrs 4 zu einem ersten Zeitpunkt.
Die Düse 50 weist einen ersten Zuführkanal 54 für das erste Material auf und einen zweiten Zuführkanal 56 für das zweite Material. Die Materialien treten aus einer Austragsöffnung 52 aus. Im Inneren der Düse 50 werden die Materialien durch einen Laserstrahl erhitzt, so dass sie sich verflüssigen und aus der Austragsöffnung 52 heraustreten können. Die Zuführung der Materialien über die Zuführkanäle 54, 56 kann gesteuert werden.
Zum in 6a dargestellten Zeitpunkt wird der Rumpfbereich 22 des Glührohrs 4 schichtweise aufgebaut, wobei die Bereiche, in denen der Spalt 26 entsteht, durch ein optional eingesetztes Füllmaterial 58 überdeckt sind.
Zu dem Zeitpunkt, der in 6b dargestellt ist, wird der Bereich 30, in dem der graduelle Übergang der beiden Materialien vorliegt, gedruckt. Wie schematisch dargestellt, ist gegenüber 6a die Materialzufuhr M1 des ersten Materials vergrößert und die Materialzufuhr M2 des zweiten Materials verringert.
6c zeigt einen dritten Zeitpunkt, bei dem der Kopfbereich 20 des Glührohrs 4 hergestellt wird. Die Materialzufuhr M2 des zweiten Materials ist gegenüber 6b weiter verringert und die Materialzufuhr M1 des ersten Materials weiter vergrößert.
7 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Glührohrs 4 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Der Kopfbereich 20 des Glührohrs 4 weist das erste Material auf und der Mantelabschnitt 28 des Glührohrs 4 weist das zweite Material auf. In diesem Ausführungsbeispiel weist der Zentralstab 24 ein drittes Material auf. Der Übergang vom ersten auf das dritte Material kann wie beschrieben ein gradueller Übergang in mindestens zwei Schritten sein. Die Form des Glührohrs 4 ist zwar axialsymmetrisch dargestellt, der Zentralstab 24 mit kreisförmigem Querschnitt und der Mantelabschnitt 28 mit ringförmigem Querschnitt. Allerdings ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Selbstverständlich kann das Glührohr 4 einen beliebigen Querschnitt aufweisen, z. B. auch quadratisch, rechteckig, oval, mit Hinterschneidungen, o. ä. und zylinderförmig oder z. B. auch konisch zulaufend ausgebildet sein.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr sind innerhalb des angegebenen Bereichs weitere Abwandlungen und Ergänzungen möglich, die dem Fachmann ersichtlich sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013211789 A1 [0003]
WO 01/16529 A1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Dokument von Taminger, K.M.B. and Hafley, R.A., “Electron Beam Freeform Fabrication: A Rapid Metal Deposition Process,” Proceedings of the 3rd Annual Automotive Composites Conference, (2003) [0028]

Claims

Glührohr (4) für eine Glühstiftkerze (2), wobei das Glührohr (4) zumindest einen Bereich (30) aufweist, in dem ein gradueller Übergang in zumindest zwei Schritten von einem ersten Material auf ein zweites Material vorliegt, wobei das erste Material und das zweite Material unterschiedliche elektrische und/oder thermische Eigenschaften aufweisen.
Glührohr (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material ein Keramikmaterial aufweist.
Glührohr (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material ein Metall oder eine Metalllegierung aufweist.
Glührohr (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Glührohr (4) einen Kopfbereich (20) und einen Rumpfbereich (22) aufweist, wobei der Kopfbereich (20) das erste Material aufweist und der Rumpfbereich (22) das zweite Material aufweist.
Glührohr (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Glührohr (4) einen Zentralstab (24) aufweist und einen den Zentralstab (24) umgebenden Mantelabschnitt (28), wobei sich zwischen dem Zentralstab (24) und dem Mantelabschnitt (28) ein Spalt (26) befindet.
Glührohr (4) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der graduelle Übergang vom ersten Material auf das zweite Material im Bereich des Zentralstabs (24) vorliegt.
Glührohr (4) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der graduelle Übergang vom ersten Material auf das zweite Material im Bereich des Mantelabschnitts (28) vorliegt.
Glühstiftkerze (2) mit einem Glührohr (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Herstellung eines Glührohrs (4) für eine Glühstiftkerze (2), wobei das Glührohr (4) zumindest in einem Bereich mittels eines 3D-Druckverfahrens hergestellt wird, wobei in dem Bereich (30) ein gradueller Übergang in zumindest zwei Schritten von einem ersten Material auf ein zweites Material geschaffen wird, wobei das erste Material und das zweite Material unterschiedlich elektrische und/oder thermische Eigenschaften aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der graduelle Übergang vom ersten Material auf das zweite Material dadurch erfolgt, dass ein Pulverbett eines Druckmaterials mit variierten Materialanteilen bereitgestellt wird oder dass eine Materialzufuhr der ersten und zweiten Materialien gesteuert wird.