-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines endkonturnahen Faserkörpers.
-
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung einen Faserkörper, hergestellt nach einem erfindungsgemäßen Verfahren.
-
Die vorliegende Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Bauteils sowie ein keramisches Bauteil hergestellt nach dem zuvor genannten Verfahren.
-
Aus der
DE 38 40 781 A1 ist eine Faserverbundkeramik und ein Verfahren zu ihrer Herstellung bekannt, wobei das Verfahren darin besteht, dass in einem ersten Schritt Fasern mit einem schmelzflüssigen Polysilazan imprägniert, in einem zweiten Schritt das Polysilazan in den Fasern in den unschmelzbaren Zustand überführt und in einem dritten Schritt die imprägnierten Fasern auf 800°C bis 2.000°C in Stickstoff-, Edelgas- oder Ammoniakatmosphäre erhitzt werden.
-
Die
US 2004/0005462 A1 offenbart einen Gleitwerkstoff, bestehend aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kohlenstoffkompositmaterial, umfassend feine Partikel einer einfachen Substanz aus einem Gruppe-IV- bis Gruppe-VI-Element oder eines Carbids, eines Nitrids oder eines Oxids davon.
-
Aus der
EP 0 555 130 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Teils aus Verbundmaterial mit keramischer Matrix bekannt. Das Verfahren umfasst die Anfertigung einer faserigen Vorform, die Imprägnierung der Vorform mittels einer Imprägnierzusammensetzung, die ein siliziumorganisches Polymer als Keramikvorläufer enthält, und die Durchführung einer thermischen Behandlung, an deren Ende der Vorläufer, ohne eine schmelzbare Phase zu durchlaufen, in Keramik umgewandelt ist. Das Verfahren umfasst ferner, dass eine Verstärkung der Vorform durchgeführt wird durch Imprägnierung mittels einer Imprägnierungszusammensetzung, die ein Gemisch aus einem wärmehärtbaren Monomer und dem Keramikvorläufer-Polymer enthält, und durch thermische Behandlung, in deren Verlauf die Vernetzung des Monomers zuerst derart verwirklicht wird, das vor der Umwandlung des Vorläufers in Keramik im gesamten Volumen der Vorform eine in situ Vernetzung des polymeren Gemisches erhalten wird, und dann eine Verdichtung der verstärkten Vorform durch eine keramische Matrix durchgeführt wird.
-
Aus der
DE 10 2013 216 437 A1 ist die Verwendung von Keramikwerkstoffen in Maschinenkomponenten einer Papiermaschine als Bauelemente für Verschleißflächen bekannt, wobei die Keramikwerkstoffe als Faserkeramikverbund ausgebildet sind, welche Fasern und eine Keramikmatrix umfassen.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mittels welchem sich ein endkonturnaher Faserkörper in einem Schritt und möglichst einfach herstellen lässt.
-
Die vorgenannte Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, wobei das Verfahren umfasst:
- - Dispergieren eines Fasermaterials in einem inkompressiblen Fluid unter Bildung einer Faser-Dispersion; und
- - Fördern der Faser-Dispersion durch eine Siebform mit einer ausgewählten geometrischen Gestalt, wobei das inkompressible Fluid durch eine oder mehrere Durchtrittsöffnungen der Siebform hindurchgefördert wird und wobei sich Fasern des Fasermaterials an oder in der Siebform ablagern und einen Faserkörper bilden, dessen geometrische Gestalt von der geometrischen Gestalt der Siebform vorgegeben wird.
-
Die Siebform wird insbesondere je nach Anwendungsfall abhängig davon ausgewählt, welche Form der endkonturnahe Faserkörper aufweisen soll.
-
Vorzugsweise wird die Faser-Dispersion längs mindestens einer Förderrichtung gefördert, wobei die mindestens eine Förderrichtung quer zu einer Einhüllenden der Siebform angeordnet ist.
-
Bei der Einhüllenden handelt es sich insbesondere um eine Einhüllenden-Fläche, welche in der Mathematik auch als Hüllkurve bezeichnet wird.
-
Die geometrische Gestalt des Faserkörpers aus abgelagerten Fasern wird - wie erwähnt - durch die geometrische Gestalt der Siebform vorgegeben und entspricht insbesondere der geometrischen Gestalt der Siebform im Wesentlichen.
-
Insbesondere dadurch, dass die geometrische Gestalt der Siebform gekrümmt ausgebildet sein kann, oder jede andere Form aufweisen kann, von welcher sich der Faserkörper entformen lässt, sind insbesondere 3-dimensionale Faserkörper in einem Schritt herstellbar. Ein Fügen von mehreren Faserkörperteilen, wie es herkömmlicherweise üblich ist, ist somit entbehrlich.
-
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können beispielsweise auch Hohlkörper hergestellt werden, welche vielen herkömmlichen Verfahren, beispielsweise Heißpressverfahren, unzugänglich sind.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren bildet insbesondere eine Anwendung eines Nassvliesverfahrens für 3-dimensionale Faserkörper.
-
Die Fasern in einem Bereich des resultierenden endkonturnahen Faserkörpers schließen insbesondere einen Winkel von circa 0° bis circa 90° mit Fasern in einem anderen Bereich des endkonturnahen Faserkörpers ein. Auch vergleichbar steile Winkel innerhalb von Faserkörpern sind insbesondere mit dem erfindungsgemäßen Verfahren darstellbar.
-
Mit Heißpressverfahren können nur begrenzt 3-dimensionale Körper hergestellt werden.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können im Vergleich zu Heißpressverfahren Material und damit auch Kosten eingespart werden.
-
Durch die Förderung weisen die abgelagerten Fasern insbesondere im Wesentlichen eine Orientierung auf, welche parallel zu einer Einhüllenden der Siebform liegt.
-
Die Siebform ist vorzugsweise wiederverwendbar. So können im Vergleich zu Verfahren mit Einmal-Negativformen Kosten gespart werden.
-
Bei dem Dispergieren kommt es vorzugsweise zu einer Vereinzelung der Fasern. Hierbei kann vorgesehen sein, dass die Fasern in Form von Faserfilamenten vorliegen oder als Faserbündel, sogenannte Rovings, erhalten bleiben.
-
Im Sinne der Erfindung ist die Siebform eine Form, welche teilweise oder vollständig eine netz- und/oder gitterartige Struktur aufweist.
-
Für eine Stabilität der Siebform kann es vorteilhaft sein, wenn die Siebform einen stützenden Kern und ein Siebgitter umfasst.
-
Die Durchtrittsöffnungen haben vorzugsweise einen Durchmesser, welcher kleiner ist als die Länge der verwendeten Fasern.
-
Günstig kann es sein, wenn die Faser-Dispersion mittels einer Fördereinrichtung gefördert wird.
-
Insbesondere wird eine Strömung der Faser-Dispersion von einer Ablagerungsseite der Siebform, an welcher sich die Fasern ablagern, zu einer Absaugseite der Siebform erzeugt.
-
An der Absaugseite lagern sich insbesondere im Wesentlichen keine oder nur vereinzelt Fasern ab.
-
Insbesondere wird die Faser-Dispersion in Richtung einer Innenseite der Siebform aus abgesaugt, wobei sich der Faserkörper an einer Außenseite der Siebform ausbildet.
-
Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Faser-Dispersion von einer Außenseite der Siebform aus angesaugt wird, woraufhin sich der Faserkörper an einer Innenseite der Siebform ausbildet.
-
Günstig kann es sein, wenn die Fördereinrichtung eine Pumpeneinrichtung ist, welche eine oder mehrere Pumpen und/oder ein oder mehrere Strömungsumlenkelemente umfasst.
-
Alternativ zu einer Pumpeneinrichtung kann die Förderung auch durch eine Schwerkraftförderung ausgebildet sein.
-
Strömungsumlenkelemente können beispielsweise in Form von Leitungsabschnitten einer Leitungseinrichtung ausgebildet sein. Die Leitungseinrichtung ist vorzugsweise ein Teil der Pumpeneinrichtung.
-
Die eine oder die mehreren Pumpen sind beispielsweise Vakuumpumpen.
-
Durch die eine oder mehreren Pumpen wird vorzugsweise eine laminare Strömung der Faser-Dispersion in Richtung der Oberfläche der Siebform erzeugt.
-
Alternativ kann das Verfahren auch bei turbulenter Strömung durchgeführt werden.
-
Vorzugsweise ist die Siebform während des Ablagerns relativ zu einer Wand eines Behälters, in welchem die Faser-Dispersion aufgenommen ist, unbeweglich gehalten. Die Siebform ist insbesondere fest positioniert.
-
Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Siebform, insbesondere gleichmäßig, durch den Behälter bewegt wird. Beispielsweise kann eine Rotationsbewegung der Siebform, insbesondere um deren Symmetrieachse, vorgesehen sein.
-
Es kann vorgesehen sein, dass die Siebform mit dem darin entstandenen endkonturnahen Faserkörper bei Aufrechterhaltung der Förderung der Faser-Dispersion entnommen wird. So kann verhindert werden, dass abgelagerte Fasern durch die Strömung innerhalb des Behälters verwirbelt werden.
-
Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Förderung der Faser-Dispersion vor der Entnahme des endkonturnahen Faserkörpers gestoppt wird und dass das inkompressible Fluid und/oder Dispergiermittel und/oder Bindemittel unter Unterdruckbeaufschlagung entfernt wird. Die Siebform läuft insbesondere „trocken“ und erst anschließend wird der endkonturnahe Faserkörper entnommen.
-
Nach der Entnahme der Siebform mit dem darin oder daran entstandenen endkonturnahen Faserkörper wird der Faserkörper vorzugsweise zusammen mit der Siebform, insbesondere in einem Trockenofen, getrocknet, bevor er von der Siebform entformt wird.
-
Vorzugsweise umfasst die Faser-Dispersion ein Dispergiermittel und/oder ein Bindemittel. Insbesondere wird der Faser-Dispersion ein Dispergiermittel und/oder ein Bindemittel zugemischt.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform entspricht das Dispergiermittel dem Bindemittel.
-
Bevorzugte Bindemittel und/oder Dispergiermittel sind Carboxymethylcellulose (CMC) und Xanthan. Ergänzend oder alternativ können auch weitere herkömmlicherweise verwendete Bindemittel und/oder Dispergiermittel eingesetzt werden.
-
Es kann vorgesehen sein, dass das Dispergiermittel vor dem Dispergieren des Fasermaterials zu dem inkompressiblen Fluid zugegeben wird.
-
Ergänzend oder alternativ kann vorgesehen sein, dass das Bindemittel zu der Faser-Dispersion gegeben wird, insbesondere um eine Viskosität anzupassen und/oder Scherkräfte des inkompressiblen Fluids zu erhöhen.
-
Durch das Dispergiermittel werden die Fasern der Faser-Dispersion vorzugsweise in der Schwebe gehalten und/oder eine Sedimentation vermieden und/oder erschwert.
-
Es kann vorgesehen sein, dass das Bindemittel ein Klebstoff ist, welcher den resultierenden endkonturnahen Faserkörper weiter verfestigt.
-
Vorzugsweise weist die Faser-Dispersion eine Faser-Konzentration von circa 0,1 g/l bis circa 10 g/l, insbesondere von circa 1 g/l bis circa 5 g/l, auf.
-
Vorzugsweise ist das inkompressible Fluid Wasser oder ein Alkohol oder ein Gemisch daraus.
-
Es kann vorgesehen sein, dass inkompressible Fluid Polywolframat enthält.
-
Bevorzugte Alkohole sind Ethanol und/oder Isopropanol.
-
Günstig kann es sein, wenn die Fasern des Fasermaterials aus einem keramischen Material sind.
-
Alternativ sind aber - je nach Anwendung - auch Fasern aus anderen Materialien geeignet.
-
Vorzugsweise sind einige oder sämtliche Fasern des Fasermaterials aus einem oder mehreren der folgenden Materialien: oxidische Keramikmaterialien, Kohlenstoff, Siliziumcarbid, Aramid, Glas.
-
Ein oxidisches Keramikmaterial ist beispielsweise Aluminiumoxid.
-
Beispielsweise bei Glasfasern kann vorgesehen sein, dass mittels des Bindemittels und/oder der Auswahl des inkompressiblen Fluids eine Oberflächenladung der Fasern beeinflusst wird.
-
Vorzugsweise wird die Oberflächenladung der Fasern dahingehend beeinflusst, dass sie sich gegenseitig abstoßen. So kann eine Agglomeration von Fasern vermieden werden.
-
Es kann vorgesehen sein, dass ein elektrisches Feld an die Faser-Dispersion angelegt wird, und so - je nach Fasermaterial - eine Orientierung der Fasern ausgebildet wird.
-
Insbesondere können Faserkörper mit unterschiedlichen Fasern hergestellt werden, indem eine Faser-Dispersion, welche unterschiedliche Fasern enthält, hergestellt wird.
-
Es kann vorgesehen sein, dass in den endkonturnahen Faserkörper eine Gradierung von Fasern eingebracht wird.
-
Günstig kann es sein, wenn das Fasermaterial recycelte Fasern umfasst oder daraus gebildet ist. So kann eine wertschöpfende Verarbeitung, beispielsweise von recycelten Glasfasern oder recycelten Kohlenstofffasern, erfolgen.
-
Vorzugsweise umfasst das Fasermaterial Kurzfasern oder ist aus Kurzfasern gebildet. Insbesondere umfasst das Fasermaterial Fasern mit einer mittleren Länge von circa 2 mm bis circa 40 mm oder ist im Wesentlichen aus Fasern mit einer mittleren Länge von circa 2 mm bis circa 40 mm gebildet.
-
Die mittlere Länge ist insbesondere als arithmetisches Mittel der Längen definiert.
-
Vorzugsweise wird eine Orientierung der Fasern im endkonturnahen Faserkörper durch eine Einhüllende der Siebform vorgegeben, wobei sich die Fasern insbesondere im Wesentlichen längs einer Fläche orientieren, die parallel zu der Einhüllenden der Siebform angeordnet ist.
-
Die Einhüllende der Siebform wird vorzugsweise durch abgelagerte Fasern abgebildet, wobei insbesondere auch Krümmungen ebenso wie eben ausgebildete Bereiche der Einhüllenden durch abgelagerte Fasern abgebildet werden.
-
Die Einhüllende der Siebform ist vorzugsweise eine Einhüllende einer Außenseite der Siebform und/oder eine Einhüllende einer Innenseite der Siebform.
-
Bei der Einhüllenden handelt es sich insbesondere um eine geometrische Oberfläche der Siebform.
-
Vorzugsweise weist der endkonturnahe Faserkörper einen Faseranteil in Z-Richtung von höchstens circa 7 Vol.-%, insbesondere von höchstens circa 3 Vol.-%, beispielsweise von circa 1 Vol.-% auf, wobei die Z-Richtung jeweils quer zu einer Fläche angeordnet ist, längs welcher die Fasern im endkonturnahen Faserkörper im Wesentlichen orientiert sind.
-
Fasern in Z-Richtung führen, beispielsweise bei einem Verpressen des Faserkörpers, zu Rückstellkräften. Aufgrund der verringerten Rückstellkräfte kann eine Delaminationsneigung in dem endkonturnahen Faserkörper reduziert sein.
-
Die jeweilige Z-Richtung ist vorzugsweise in einem Punkt auf der Oberfläche des Faserkörpers insbesondere senkrecht zu der entsprechenden Tangentialebene angeordnet.
-
Für eine verbesserte Ablagerung der Fasern kann es günstig sein, wenn eine oder mehrere Längsmittelachsen der einen oder mehreren Durchtrittsöffnungen der Siebform bezüglich radialer Richtungen der Längsmittelachse der Siebform quer angeordnet ist.
-
So kann vermieden werden, dass parallel zur Strömungsrichtung ausgerichtete Fasern durch die Durchtrittsöffnungen hindurchtreten.
-
Vorzugsweise wird in einem Behälter, in welchem die Faser-Dispersion aufgenommen ist, mittels einer Fördereinrichtung die Siebform mit Unterdruck beaufschlagt. Insbesondere wird mittels einer Leitungsvorrichtung inkompressibles Fluid durch einen Fluidauslass aus dem Behälter abgeleitet und das inkompressible Fluid mittels einer Fördereinrichtung durch einen Fluideinlass wieder in den Behälter eingeleitet.
-
Insbesondere wird ein Sog innerhalb der Siebform erzeugt.
-
Die Erfindung betrifft ferner einen Faserkörper, insbesondere einen endkonturnahen Faserkörper, welcher nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
-
Der Faserkörper ist vorzugsweise ein Bauteil, insbesondere ein CFK-Bauteil.
-
Einen Anwendungsbereich für das genannte Bauteil stellt beispielsweise die Automobilindustrie und dort verwendete Faser-verstärkte Bauteile dar.
-
Der erfindungsgemäße Faserkörper weist vorzugsweise eines oder mehrere der im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Merkmale und/oder einen oder mehrere der im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Vorteile auf.
-
Der erfindungsgemäße Faserkörper eignet sich insbesondere zur Verwendung als Grünkörper in einem nachfolgend beschriebenen Verfahren zur Keramisierung.
-
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zu Herstellung eines keramischen Bauteils, umfassend:
- - Herstellung eines endkonturnahen Faserkörpers gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren;
- - Durchführen einer Pyrolyse an dem endkonturnahen Faserkörper, wobei ein offenporöser Kohlenstoffkörper hergestellt wird; und
- - Durchführen einer Keramisierung an dem entstandenen offenporösen Kohlenstoffkörper.
-
Günstigerweise wird die Keramisierung durch Infiltrieren des offenporösen Kohlenstoffkörpers mit flüssigem Carbidbildner durchgeführt, wobei der Carbidbildner insbesondere Silizium ist.
-
Das flüssige Silizium reagiert mit Kohlenstoff im offenporösen Kohlenstoffkörper und bildet Siliziumcarbid. Die Offenporösität des Kohlenstoffkörpers ermöglicht die Infiltrierung des Kohlenstoffkörpers mit Carbidbildner.
-
Die Faserstruktur bleibt dabei im Wesentlichen erhalten. Dies stellt insbesondere einen Unterschied zu mittels Faserspritzen hergestellten Bauteilen dar, bei welchen die Fasern während der Infiltrierung mit Silizium in der Regel vollständig zu Siliziumcarbid reagieren.
-
Alternativ zu einer Infiltrierung mit einem, insbesondere flüssigen, Carbidbildner, kann vorgesehen sein, dass zur Keramisierung ein Polymerinfiltrations- und Pyrolyse-Verfahren durchgeführt wird.
-
Hierzu kann vorgesehen sein, dass die Keramisierung durch Infiltrierung des offenporösen Kohlenstoffkörpers mit einem Polymermaterial, insbesondere einem metallorganischen oder siliziumorganischen Polymermaterial, und anschließender Pyrolyse durchgeführt wird.
-
Erfindungsgemäß wird ein keramisches Bauteil bereitgestellt, welches gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird.
-
Ein Faseranteil des keramischen Bauteils beträgt vorzugsweise circa 50 Vol.-% oder weniger, insbesondere circa 25 Vol.-% bis circa 35 Vol.-%, bezogen auf ein Gesamtvolumen des keramischen Bauteils.
-
Durch die vergleichsweise hohen Faseranteile weisen die jeweiligen keramischen Bauteile vorzugsweise eine verbesserte Schadenstoleranz auf. Die Fasern können eine Stützfunktion erfüllen.
-
Bei dem keramischen Bauteil handelt es sich vorzugsweise um ein CMC (Ceramic Matrix Composites)-Bauteil.
-
Das keramische Bauteil findet beispielsweise in Leitungen für korrosive Heißgase Verwendung.
-
Weitere bevorzugte Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
-
Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines endkonturnahen Faserkörpers;
- 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines endkonturnahen Faserkörpers;
- 3 eine schematische Seitenansicht eines Kerns einer Siebform, welche sich zur Verwendung in dem Verfahren gemäß 1 oder gemäß 2 eignet;
- 4 eine schematische Querschnittsansicht des Kerns der Siebform aus 3 durch die in 3 mit IV bezeichneten Ebene;
- 5 ein Ausschnitt einer Computer-Tomographieaufnahme eines endkonturnahen Faserkörpers, welcher mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde, wobei der Faserkörper eine im Wesentlichen hohlzylindrische Form aufweist; und
- 6 eine schematische Darstellung eines Ablaufs einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Keramisierung, bei welchem ein endkonturnaher Faserkörper als Grünkörper dient.
-
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
-
In 1 ist eine erste Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines endkonturnahen Faserkörpers 100 schematisch dargestellt. Es ist ein Pumpenkreislauf zu sehen, mittels welchem sich eine Strömungsführung erzeugen lässt, sodass sich an einer Außenseite einer Siebform 110 Fasern zu einem endkonturnahen Faserkörper 100 ablagern.
-
Ein so entstandener endkonturnaher Faserkörper 100 ist beispielhaft in 5 gezeigt.
-
Gemäß der ersten Ausführungsform des Verfahrens wird ein Fasermaterial 102 in einem Behälter 104 in einem inkompressiblen Fluid 106 dispergiert, wobei sich eine Faser-Dispersion 108 bildet.
-
Einzelne Fasern des Fasermaterials 102 sind vorliegend in einer bereits dispergierten Form in der Faser-Dispersion 108 durch Striche schematisch angedeutet.
-
Die Fasern des Fasermaterials 102 sind vorzugsweise aus einem keramischen Material.
-
Als Fasermaterial 102 eignen sich insbesondere Fasern aus einem der folgenden Materialien: oxidisches Keramikmaterial, insbesondere Aluminiumoxid, Kohlenstoff, Siliziumcarbid, Aramid, Glas.
-
Vorteilhaft kann es sein, wenn ein Fasermaterial 102 eingesetzt wird, welches eine Mischung der genannten Fasern umfasst.
-
Vorliegend werden Glasfasern und Aluminiumoxidfasern mit einer mittleren Länge in einem Bereich von circa 6 mm bis circa 25 mm eingesetzt.
-
Als inkompressibles Fluid 106 wird vorliegend Wasser verwendet.
-
Je nach Faserauswahl kann es jedoch vorteilhaft sein, wenn als inkompressibles Fluid ein Alkohol, beispielsweise Ethanol oder Isopropanol, oder eine Mischung aus Alkohol und Wasser verwendet wird.
-
Insbesondere, wenn Fasern aus Aluminiumoxid eingesetzt werden, kann die Verwendung von Polywolframat als Bestandteil des inkompressiblen Fluids 106 vorteilhaft sein. Auch bei anderen Fasermaterialien 102 kann die Verwendung von Polywolframat in dem inkompressiblen Fluid 106 vorteilhaft sein.
-
Je nach Auswahl des Fasermaterials 102 und des inkompressiblen Fluids kann es günstig sein, wenn eine Orientierung der Fasern durch Anlegen eines elektrischen Feldes beschleunigt und/oder verstärkt wird.
-
Der Behälter 104 ist vorliegend eine Bütte.
-
Die Faser-Dispersion 108 umfasst vorliegend ferner Carboxymethylcellulose (CMC), welche als Bindemittel wirkt und eine Viskosität der Faser-Dispersion 108 erhöht, sodass sie sich besser verarbeiten lässt. Das Bindemittel dient vorliegend auch als Dispergiermittel zur Unterstützung der Dispergierung des Fasermaterials 102.
-
Alternativ oder ergänzend zu CMC kann auch Xanthan oder ein anderes Bindemittel und/oder Dispergiermittel eingesetzt werden.
-
Das Bindemittel dient vorliegend auch als Klebstoff zur Verfestigung der Struktur des resultierenden endkonturnahen Faserkörpers 100.
-
Eine Faserkonzentration in der Faser-Dispersion 108 beträgt vorliegend circa 0,1 g/l Faser-Dispersion bis circa 10 g/l Faser-Dispersion, insbesondere circa 1 g/l Faser-Dispersion bis circa 5 g/l Faser-Dispersion.
-
Die Siebform 110 ist innerhalb des Behälters 104 angeordnet. Die Siebform 110 dient vorliegend als Positivform für den aus dem Verfahren resultierenden endkonturnahen Faserkörper 100.
-
Die Siebform 110 umfasst homogen über die Siebform 110 verteilte Durchtrittsöffnungen 112, welche eine Absaugseite 114 und eine Anlagerungsseite 116 der Siebform fluidwirksam miteinander verbinden. In den 1 und 2 sind die Durchtrittsöffnungen 112 durch ein Gittermuster angedeutet.
-
Die Absaugseite 114 ist vorliegend durch eine Innenseite einer Mantelfläche einer im Wesentlichen hohlzylinderförmig ausgebildeten Siebform 110 gebildet. Die Ablagerungsseite 116 ist von einer Außenseite der Mantelfläche der Siebform 110 gebildet (vergleich 3 und 4).
-
An der Absaugseite 114 der Siebform 110 ist eine Leitungsvorrichtung 118 angeordnet.
-
Die Leitungsvorrichtung 118 dient der Leitung des inkompressiblen Fluids 106 und umfasst vorliegend mehrere Leitungsabschnitte 120, welche sich aneinander anschließen.
-
Ein Abfuhrleitungsabschnitt 120a bildet vorliegend einen Fluidauslass 121, durch welchen inkompressibles Fluid 106 aus dem Behälter 104 abgeleitet wird.
-
Ein Zufuhrleitungsabschnitt 120b bildet vorliegend einen Fluideinlass 123, durch welchen inkompressibles Fluid 106 dem Behälter 104 wieder zugeführt wird.
-
Der Abfuhrleitungsabschnitt 120a und der Zufuhrleitungsabschnitt 120b sind mittels weiterer Leitungsabschnitte 120 über eine Pumpe 122 miteinander verbunden.
-
Die Pumpe 122 dient einer Förderung von inkompressiblem Fluid 106 und der Erzeugung einer Strömung von der Ablagerungsseite 116 zur Absaugseite 114.
-
Die Leitungsvorrichtung 118 und die Pumpe 122 bilden jeweils Bestandteile einer Fördereinrichtung 124, welche vorliegend als Pumpeneinrichtung 126 ausgebildet ist.
-
Mittels der Pumpe 122 wird eine Strömung von dem Fluidauslass 121 zu dem Fluideinlass 123 erzeugt.
-
Die Strömung des inkompressiblen Fluids 106 vom Fluidauslass 121 zum Fluideinlass 123 ist durch Pfeile angedeutet.
-
Es entsteht eine Strömung der Faser-Dispersion 108 von der Ablagerungsseite 116 zur Absaugseite 114.
-
Die Fasern der Faser-Dispersion 108 lagern sich an der Ablagerungsseite 116 an, während das inkompressible Fluid 106 die Durchtrittsöffnungen 112 durchströmt und mittels der Pumpe 122 durch die Leitungsabschnitte 120 der Leitungsvorrichtung 118 gefördert wird.
-
Die Strömung innerhalb des Behälters 104 wird so lange aufrechterhalten, bis sich genug Fasern abgelagert haben, sodass ein endkonturnaher Faserkörper 100 mit ausreichender Dicke entstanden ist.
-
Die Fasern orientieren sich dabei überwiegend längs einer Fläche, welche parallel zu einer Einhüllenden der Siebform 110 angeordnet ist.
-
Dabei weist der Faserkörper 100 auch gekrümmte Bereiche auf, wenn die Einhüllende der Siebform 110 gekrümmte Bereiche aufweist. Die gekrümmten Bereiche der Siebform werden einstückig in dem endkonturnahen Faserkörper 100 abgebildet.
-
Während die Strömung weiter strömt, wird die Siebform 110 zusammen mit dem Faserkörper 100 entnommen und anschließend in einem Trockenofen bei circa 80°C für mindestens 2 Stunden getrocknet. Alternativ können auch andere Trocknungsverfahren verwendet werden.
-
Nach der Trocknung des endkonturnahen Faserkörpers 100 wird dieser entformt.
-
Es ist ein Faserkörper 100 entstanden, dessen Form der Form der Siebform 110 im Wesentlichen entspricht. Durch Auswahl von unterschiedlichen Siebformen können also unterschiedlich geformte Faserkörper 100 hergestellt werden.
-
Wie in 6 schematisch dargestellt ist, wird der Faserkörper 100 anschließend einer Keramisierung unterzogen.
-
Der Faserkörper 100 weist jedoch auch ohne Keramisierung eine ausreichende Stabilität auf, um ohne Keramisierung verwendet zu werden und stellt ohne Weiterverarbeitung ein Bauteil dar. Beispielsweise kann der Faserkörper 100 in der Automobilindustrie eingesetzt werden.
-
Alternativ sind auch Anwendungen des Faserkörpers 100 in der Textilindustrie möglich. Der Faserkörper 100 kann beispielsweise einen Bestandteil eines Körbchens eines Büstenhalters bilden.
-
In einem Verfahren zur Keramisierung stellt der endkonturnahe Faserkörper 100 insbesondere einen Grünkörper dar.
-
Zur nachfolgend beschriebenen Keramisierung wird der Faserkörper 100 zunächst bei Temperaturen von 1.000°C bis 1.600°C pyrolysiert, wodurch ein offenporöser Kohlenstoffkörper 140 entsteht.
-
Vorzugsweise wird die Pyrolyse unter Ausschluss von Sauerstoff durchgeführt, sodass eine Oxidation vermieden oder minimiert werden kann.
-
Der offenporöse Kohlenstoffkörper 140 wird anschließend mit einem Carbidbildner, vorliegend Silizium (Si), infiltriert, wobei das Silizium in flüssiger Form durch die Poren des offenporösen Kohlenstoffkörpers 140 in dessen Inneres gelangt und dort mit Kohlenstoff zu Siliziumcarbid reagiert. Durch die Reaktion mit Silizium zu Siliziumcarbid entsteht ein keramisches Bauteil 150.
-
Alternativ zu dem zuvor beschriebenen sogenannten LSI (liquid silicon infiltration)-Verfahren kann die Keramisierung des endkonturnahen Faserkörpers 100 auch mittels eines PIP (Polymerinfiltrations- und Pyrolyse)-Verfahrens durchgeführt werden.
-
Hierzu wird vorzugsweise der offenporöse Kohlenstoffkörper 140, häufig auch in mehreren Schritten, mit einem Polymermaterial, beispielsweise einem metallorganischen oder einem siliziumorganischen Material, infiltriert.
-
Anschließend wird der infiltrierte offenporöse Kohlenstoffkörpers 140 pyrolysiert, beispielsweise in einer Festphasen-Thermolyse.
-
Ein Faseranteil des keramischen Bauteils 150 liegt in einem Bereich von circa 25 Vol.-% bis circa 35 Vol.-% bezogen auf ein Gesamtvolumen des keramischen Bauteils 150.
-
Das keramische Bauteil 150 eignet sich insbesondere zur Verwendung in Leitrohren für korrosive Heißgase.
-
Die in 2 dargestellte zweite Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines endkonturnahen Faserkörpers 100 unterscheidet sich im Wesentlichen dadurch von der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform, dass die Siebform 110 in einem unteren Bereich - nahe einer Bodenwandung - des Behälters 104 angeordnet ist und dass eine Strömungsrichtung entgegengesetzt zur Strömungsrichtung gemäß der ersten Ausführungsform verläuft.
-
Der Abfuhrleitungsabschnitt 120a ist an der Bodenwandung 142 des Behälters 104 angeordnet. Der Zufuhrleitungsabschnitt 120b ist in einem bezüglich der Schwerkraftrichtung oberen Bereich des Behälters 104 angeordnet und ragt in die Faser-Dispersion 108 hinein.
-
Im Übrigen stimmt die in 2 dargestellte zweite Ausführungsform eines Verfahrens mit der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform überein, sodass auf deren Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
-
Die Keramisierung wird bevorzugt wie zuvor beschrieben durchgeführt.
-
Alternativ zu den dargestellten Ausführungsformen kann auch vorgesehen sein, dass die Absaugseite 114 von einer Außenfläche der Siebform 110 gebildet ist und die Ablagerungsseite 116 in einem Innenraum und/oder an einer Innenseite der Siebform 110 angeordnet ist. Hierbei wird eine Strömung von dem Innenraum und/oder der Innenseite zu einer Umgebung der Siebform 110 erzeugt und die Fasern lagern sich an einer Innenseite der Siebform 110 ab.
-
Wie insbesondere in den 3 und 4 zu sehen ist, weist die Siebform 110 vorzugsweise einen zumindest näherungsweise hohlzylinderförmigen Grundkörper auf, welcher durch regelmäßig angeordnete Durchtrittsöffnungen 112 durchbrochen ist.
-
In den 3 und 4 ist ein stützender Kern einer Siebform 110 gezeigt, welcher die Stabilität der Siebform 110 erhöht.
-
Über den stützenden Kern wird vor der Verwendung ein Siebgitter, vorzugsweise aus Metall, beispielsweise Metall-Gaze, gestülpt.
-
Eine Einhüllende der Siebform 110 ist vorliegend zumindest näherungsweise hohlzylinderförmig ausgebildet.
-
An den zumindest näherungsweise hohlzylinderförmig ausgebildeten Grundkörper schließt sich vorliegend ein Verbindungsabschnitt 144 an, welcher in montiertem Zustand mit Leitungsabschnitten 120 der Leitungsvorrichtung 118 verbunden ist. Durch den Verbindungsabschnitt 144 wird die Strömung von der Siebform 110 in die Leitungsvorrichtung 118 geführt.
-
Wie insbesondere in 4 zu sehen ist, sind die Durchtrittsöffnungen mit Haupterstreckungsrichtungen quer bezüglich radialen Richtungen einer Längsmittelachse 145 der Siebform 110 angeordnet.
-
So kann vermieden werden, dass Fasern, welche in Strömungsrichtung ausgerichtet sind, durch die Durchtrittsöffnungen 112 hindurchtreten.
-
In 5 ist ein Ausschnitt einer Computer-Tomographieaufnahme eines endkonturnahen Faserkörpers 100 nach einer Konsolidierung gezeigt. Aus der Aufnahme ist ersichtlich, dass die Fasern als Faserbündel - so genannte Rovings - erhalten bleiben und ein Faseranteil in Z-Richtung gering ist.
-
Die Z-Richtung ist die jeweilige Richtung, welche quer zur Fläche angeordnet ist, längs derer die Fasern orientiert sind. Diese Fläche ist - wie bereits erwähnt - parallel zu der Einhüllenden der Siebform 110.
-
Bezugszeichenliste
-
- 100
- endkonturnaher Faserkörper
- 102
- Fasermaterial
- 104
- Behälter
- 106
- inkompressibles Fluid
- 108
- Faser-Dispersion
- 110
- Siebform
- 112
- Durchtrittsöffnung
- 114
- Absaugseite
- 116
- Ablagerungsseite
- 118
- Leitungsvorrichtung
- 120
- Leitungsabschnitt
- 120a
- Abfuhrleitungsabschnitt
- 120b
- Zufuhrleitungsabschnitt
- 121
- Fluidauslass
- 122
- Pumpe
- 123
- Fluideinlass
- 124
- Fördereinrichtung
- 126
- Pumpeneinrichtung
- 140
- offenporöser Kohlenstoffkörper
- 142
- Bodenwandung
- 144
- Verbindungsabschnitt
- 145
- Längsmittelachse
- 150
- keramisches Bauteil
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 3840781 A1 [0004]
- US 2004/0005462 A1 [0005]
- EP 0555130 B1 [0006]
- DE 102013216437 A1 [0007]
