DE10353972B4

DE10353972B4 - Verfahren zum Herstellen von keramischen Glühkerzen

Info

Publication number: DE10353972B4
Application number: DE10353972A
Authority: DE
Inventors: Oliver Göb; Hans Houben; Lutz Frassek; Henning Von Watzdorf; Martin Allgaier; Johann Weissenbacher
Original assignee: Beru AG
Current assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Priority date: 2003-11-19
Filing date: 2003-11-19
Publication date: 2006-03-16
Anticipated expiration: 2023-11-20
Also published as: EP1533571A2; EP1533571A3; DE10353972A1; US7160584B2; EP1533571B1; JP2005147654A; US20050145613A1; KR101169216B1; KR20050048473A

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines keramischen Glühstiftes, der einen Innenzylinder (1) und wenigstens zwei Schichten (2, 3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenzylinder (1) und die wenigstens zwei Schichten (2, 3) des Schichtaufbaus gleichzeitig durch Koextrusion gebildet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines keramischen Glühstiftes, der einen Innenzylinder und wenigstens zwei Schichten aufweist.
Keramische Glühstifte, die fertig konfektioniert als Glühkerzen im Bereich der Brennkraftmaschinen zur Anwendung kommen, zeichnen sich dadurch aus, dass sie schneller als bisher verwendete Stahlglühkerzen aufgeheizt werden können und eine weit höhere Lebensdauer haben.

Aus der US 63 09 589 B1 und der DE 100 53 327 A1 sind bereits keramische Glühstifte mit planaren Strukturen bekannt, die nach Fertigungsgesichtspunkten konzipiert sind, so dass die für eine optimale Verbrennung benötigte homogene Temperaturverteilung nicht gewährleistet ist.

Aus der US 61 84 497 B1 , der EP 0 601 727 B1 , der US 60 84 212 A , der DE 36 21 216 C2 , der DE 198 44 347 A1 und der DE 101 55 203 A1 sind weiterhin Konstruktionen und Herstellungsverfahren für keramische Glühstifte bekannt, bei denen Schichtstrukturen vorgesehen sind, die sich nur durch schlecht automatisierbare Schlickergießverfahren in den angegebenen Schichtstärken herstellen lassen oder Konstruktionen darstellen, die sich nur durch aufwändige und damit mit hohen Kosten verbundene Herstellungsverfahren, wie z.B. Siebdruck auf Laminate mit anschließendem Heißpressen verwirklichen lassen. Diese Konstruktionen und Herstellungsverfahren lassen sich großtechnisch kaum umsetzen und entsprechen nicht der Forderung der Automobilindustrie nach preisgünstigen Bauteilen.

Aus der US 2002/0185485 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines keramischen Glühstiftes bekannt, der einen Innenzylinder und wenigstens zwei Schichten aufweist. Bei diesem bekannten Verfahren können die verschiedenen Bauelemente des Glühstiftes unter anderem durch Extrusion ausgebildet werden.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das kostengünstig und serientauglich ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Ausbildung gelöst, die im Anspruch 1 angegeben ist.

Durch die gleichzeitige Koextrusion des Innenzylinders und der Schichten kann der für die optimale Funktion des Glühstiftes erwünschte Schichtaufbau in einfacher Weise, nämlich simultan in Form eines Rohres oder eines Stabes gebildet werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden somit gleichzeitig mehrere Schichten des keramischen Glühstiftes erzeugt, so dass nur noch die für die Umlenkung des elektrischen Stromes an einem Ende benötigte Schicht vorgesehen werden muss.

Besonders bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 11.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird insbesondere ein durch Koextrusion, das heißt durch simultane Extrusion aller benötigten Schichten hergestellter Rohzylinder des keramischen Glühstiftes nach Kalibrierung des Durchmessers und Längen des Rohlings durch spanabhebende Verfahren an einem Ende verjüngt und am anderen Ende mit einer Kontaktierungsbohrung versehen.

Der in dieser Weise bearbeitete Zylinder wird anschließend entbindert und vorgesintert, um eine ausreichende Festigkeit für die nachfolgenden Verfahrensschritte zu gewährleisten.

Die oben erwähnte Verjüngung des Rohzylinders an einem Ende und die Ausbildung der Kontaktierungsbohrung am anderen Ende können durch Weißbearbeitung mittels Diamantwerkzeugen auch nach dem Entbindern und Vorsintern erfolgen.

Anschließend erfolgt das Aufbringen der den Strom umleitenden Schicht und ggf. der eigentlichen Heizschicht durch Aufsprühen eines Schlickers oder durch ein Tauchverfahren, wobei dieser Arbeitsvorgang auch nach dem Sintern durch thermisches Spritzen erfolgen kann.

Nach erfolgter Trocknung wird der Grünkörper gebrannt und durch ein einfaches und kostengünstiges Durchschubschleifverfahren auf seine Endge ometrie geschliffen.

Durch Über- bzw. Umspritzen eines Einlegeteils kann eine zusätzlich leitende oder nichtleitende Schicht aufgebracht werden, die die eigentliche Heizschicht vor Korrosion schützt oder selbst als Heizschicht und Stromumlenkungsschicht dient bzw. die Schichtstruktur vervollständigt werden.

Im Folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnungen besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahren näher beschrieben. Es zeigt
1A bis 1D in Schnittansichten Ausführungsbeispiele des nach dem ertindungsgemäßen Verfahren herstellbaren Glühstiftes in verschiedenen Geometrien,
2 in einer Schnittansicht den Verfahrensschritt der Koextrusion eines Vollmaterialglühstiftes,
3 in einer Schnittansicht den Verfahrensschritt der Grün- oder Weißbearbeitung,
4 in einer Schnittansicht den Verfahrensschritt des Sprühens einer zusätzlichen Außenschicht,
5 in einer Schnittansicht den Verfahrensschritt der Endbearbeitung des Glühstiftes,
6 in einer Schnittansicht den Verfahrensschritt der Koextrusion eines rohrförmigen Glühstiftes und
7 in einer Schnittansicht den Verfahrensschritt des Über- oder Einspritzens in das rohrförmige Halbzeug gemäß 6.
Wie es in 1A dargestellt ist, umfasst ein Glühstift für eine keramische Glühkerze einen rotationssymmetrischen Aufbau aus einem elektrisch leitenden Innenzylinder 1, einer koaxial zum Innenzylinder 1 an dessen Zylinderaußenfläche vorgesehene Isolierschicht 2, einer koaxial dazu vorgesehenen leitfähigen Schicht 3 und der eigentlichen Heizschicht 4, die als koaxiale Schicht 4a und als eine senkrecht zur Glühstiftachse verlaufende Schicht 4b am Ende der Anordnung aus Innenzylinder 1 und Schichten 2, 3 ausgebildet ist. Es sind aber auch nicht rotationssymmetrische und nicht zur Glühstiftachse koaxiale Anordnungen der Schichten denkbar. Z.B. können die Querschnitte unsymmetrisch, quadratisch oder rechteckig sein.
2 zeigt das bei der Herstellung eines Glühstiftes nach 1A verwandte Prinzip der Koextrusion. Die Schichtstruktur wird durch Extruder 10, 11 und 12 in einem Koextrusionskopf 13 ausgebildet. Der Extruder 10 erzeugt den leitfähigen Kern 1, der Extruder 11 legt die Isolationsschicht 2 auf, und mit dem Extruder 12 wird die Schichtstruktur mit der äußeren leitfähigen Schicht 3 komplettiert. Bei dem Koextrusionskopf 13 zur Ausbildung von drei Schichten kann es sich zum Beispiel um ein in der Kunststofftechnologie eingesetztes Werkzeug mit Pinole und Wendelverteiler handeln.
Ausgehend von einem in dieser Weise erzeugten dreischichtigen Koextrudat mit einer innenliegenden Isolatorhülse, die schraffiert dargestellt ist, wird mit den in den 3, 4 und 5 dargestellten Verfahrensschritten der in 1A dargestellte Aufbau erzeugt.
Das heißt, dass nach dem Längen des Koextrudats mittels eines Trennaggregates 14 und der Kalibrierung des Durchmessers der Rohzylinders an einem Ende verjüngt und an dem anderen Ende mit einer Kontaktierungsbohrung versehen wird, wie es schematisch in 3 dargestellt ist.
Der gemäß 3 bearbeitete Rohzylinder wird anschließend entbindert und vorgesintert, um ihm eine ausreichende Festigkeit für die nachfolgenden Arbeitsvorgänge zu geben.
Wie es in 4 dargestellt ist, wird dann die äußere Heiz- und Umleitungsschicht 4 aufgebracht, was durch Aufsprühen eines Schlickers vor dem Sintern, aber auch durch Tauchen, Überspritzen oder thermisches Spritzen erfolgen kann. Zu diesem Zweck können aber auch die auf dem Gebiet der Kunststofftechnik üblichen Schweißverfahren, z.B. Ultraschall-, Reibschweißverfahren u.ä. verwandt werden.
Diese Schicht 4 ist als koaxiale Schicht 4a und senkrecht zur Glühstift verlaufende Schicht 4b am Ende der Anordnung ausgebildet und stellt die Verbindung zwischen dem Innen- und dem Außenleiter her.
Bei dem in 1B und im Detail in 1D dargestellten Ausführungsbeispiel ist wiederum ausgehend von einem dreischichtigen Koextrudat mit innenliegender, schraffiert dargestellter Isolatorhülse ein durch die Verfahrensschritte in 3 und 4 dargestellter Aufbau erzeugt, bei dem die eigentliche Heizschicht am Außenmantel nur durch eine Quer schnittsverengung gebildet wird. 1D zeigt von oben nach unten die Glühzone und die Kontaktierungszone.
Die zur Umleitung des elektrischen Stromes notwendige Schicht auf der Stirnfläche kann wiederum durch Aufsprühen eines Schlickers vor dem Sintern aber auch durch Tauchen, Überspritzen oder thermisches Spritzen gebildet werden. Zu diesem Zweck können aber auch die auf dem Gebiet der Kunststofftechnik üblichen Schweißverfahren, z.B. Ultraschall-, Reibschweißverfahren u.ä. verwandt werden.
Bei dem in 1C dargestellten Ausführungsbeispiel ist ausgehend von einem koextrudierten, zweischichtigen Rohr mit innenliegender Isolatorschicht, das mit der in 6 dargestellten Koextrusion gebildet wird, durch kombiniertes Ein- und Überspritzen nach 7 auf einer konventionellen Spritzgußmaschine, der für die Funktion des Glühstiftes notwendiges Gesamtaufbau mit Kern 5 gebildet. Durch Einsatz identischer Feedstocks für die Extrusion und das folgende Spritzgießen ist eine Verbindung zwischen den Schichten gegeben und können die nachfolgenden Arbeitsschritte, beispielsweise das Entbindern, das Vorsintern und das Sintern problemlos erfolgen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer Vielzahl von verschiedenen Variationen durchgeführt werden, so dass es problemlos auf verschiedene Schichtstärken und Schichtarten angepasst werden kann.
Gemäß 5 folgt allen oben beschriebenen Ausführungsbeispielen eine Sinterung und eine kostengünstige Hartbearbeitung, um die für den Einbau des keramischen Glühstiftes notwendigen Toleranzen sicherzustellen.
Das kann gemäß 5 durch ein einfaches und kostengünstiges Durchschubschleifverfahren mittels einer Andruckrolle 15 und einer Schleifscheibe 16 erfolgen.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines keramischen Glühstiftes, der einen Innenzylinder (1) und wenigstens zwei Schichten (2, 3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenzylinder (1) und die wenigstens zwei Schichten (2, 3) des Schichtaufbaus gleichzeitig durch Koextrusion gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (2, 3) symmetrisch zur Glühstiftachse ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (2, 3) koaxial ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtaufbau rotationssymmetrisch ist und durch einen Außenpol und einen Innenpol kontaktiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine zur Umleitung des elektrischen Stromes dienende leitfähige Schicht (4a) und/oder eine senkrecht zur Glühstiftachse liegende Schicht (4b) am Ende des Koextrudats durch Aufsprühen, Aufspritzen, Aufpressen bzw. mittels eines Tauchverfahrens oder durch ein auf dem Gebiet der Kunststofftechnik übliches Schweißverfahren gebildet wird/werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Koextrudat im ungebrannten Zustand durch spanabhebende Bearbeitung oder Wasserstrahlschneiden konfektioniert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Koextrudat durch Um- und/oder Überspritzen in einer Spritzgußmaschine in seiner Schichtstruktur komplettiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine zur Umleitung des elektrischen Stromes dienende leitfähige Schicht (4a) am Ende des Koextrudats und/oder eine senkrecht zur Glühstiftachse liegende Schicht (4b) nach dem Sintern durch thermisches Spritzen gebildet wird/werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Glühstift im gesinterten Zustand teilweise oder ganz über- bzw. geschliffen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Mantelfläche durch Aufsprühen, Aufspritzen, Aufpressen, ein Tauchverfahren oder durch ein auf dem Gebiet der Kunststofftechnik übliches Schweißverfahren gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Teil der Mantelfläche durch ein thermisches Spritzverfahren oder durch ein auf dem Gebiet der Kunststofftechnik übliches Schweißverfahren gebildet wird.