DE3136253A1 - Verfahren und vorrichtung zum herstellen von waermetauschern aus keramischen folien - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zum herstellen von waermetauschern aus keramischen folienInfo
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Description
Rosentlial Technik AG Ji Selb, den O8.O9.8I
H" Re/li/RT.P. I36O
Verfaliren und Vorrichtung zum Herstellen von Wärmetauschern
aus keramischen Folien
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Wärmetauschern mittels Folientechnik, indem Folien geformt,
gestapelt, laminiert und gebrannt werden sowie eine Vorrichtung zum Aufbau eines solchen Wärmetauschers axt=
einzelnen Folien.
Es ist bereits ein Verfaliren zur Herstellung von Wärmetauschern avis keramischen Folien aus der DE-OS 28 41
bekannt, indem zwischen zwei Grundplatten ausgestanzte Folien mit Abs tandshaltei'n auf einandergestapelt und
zusätzlich sogenannte Fenster in die Declcwandung eingefräst
Airerden. Anschließend wird ein solcher blockförmiger
Wärmetauscher einem Kalt- oder Heißlaminierungsprozeß
unterworfen. Ein solches Verfahren zieht zwar höhere Herstellungskosten gegenüber dem üblichen Strangziehen
von keramischen Wärmetauschern nach sich, aber man erhält sehr dünne Wandungen. Andererseits ist mit der Strangziehtechnik
kein Einbau von sogenannten Schikanen quer zur Ziehrichtung dor Strömungskanüle möglich. Auch die Handhabung beim
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.5.
Zusammenbau solcher Wärmetauscher aus Stäben und dünnwandigen
Folien ist sehr schwierig und außerdem ist dio Herstellungsmethode
sehr arbeitsaufwendig. Ferner hat sich beim Laminieren herausgestellts daß nicht immer alle Folien
gleichmäßig aufeinander haften und insbesondere verschmieren bei der Rohbearbeitung des ungesinterten Wärmetauscherblockes die
Werkzeuge leicht durch den organischen Bindemittolgehalt der
Folien. Entfernt man nun das gesamte Bindemittel aus der Keramik, so wird der Körper sehr spröde, so daß wiederum
dieser sich schlecht bearbeiten läßt.
Des weiteren ist aus der UIC-PS 1,418,459 ein Verfahren bekannt,
das die Herstellung von Wärmetauschern aus Folien vorsiehtο Die Folien von etwa 0,15 mm Dicke werden auf einem
verbrennbaren Trägei'material mittels des Doctor-Blade-Verfahrens
hergestellt, wobei sich als besonders nachteilig erwiesen hat, daß die Abstandshalter zwischen den Medientrennwänden
in sehr aufwendigen und für eine Serienfertigung wenig geeigneten Technik erstellt werden. Der Aufbau des
Wärmetauschers erfolgt durch abwechselndes Aufeinanderlegen
von Silicium-Kunststoff-Folien und Abstandshaltern, die auf Gießfolien aufgebracht sind. Unter Verwendung von Druck
und Temperatur als auch eines Lösungsmittels oder Klebers werden die einzelnen Teile des Wärmetauschers zusammengefügt«
Beim Brennen muß zuerst das Papier entfernt werden, dann der Binder und schließlich der Nitridierungsprozeß durchgeführt
werden. Beim Verbrennen des Papiers muß außerdem sichergestellt werden, daß die feine Siliciumstruktur nicht
beschädigt wird und die dabei gebildete Asche wird durch Ultraschallwasdien entfernt» Ferner ist vor dem Verbrennen
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6.
des Papiers eine Teilnitridierung des Wärmetauscherblockes durchzuführen.
Die aufgetretenen Mangel bei dem beschriebenen Verfahren
erlauben keine rationelle Massenfertigung. Auch weisen
die Wärmetauscher nach ihrer Fertigstellung oft ein inhomogenes Gefüge auf. Insbesondere zeigt sich bei Wärmetauschern
aus Siliciumnitrid, daß das Strömungsverhalten
nicht optimal ist, da durch die poröse Oberfläche des Siliciumnitrids man keine glatten Strömungskanäle erhalt.
Der Erfindimg liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das die genannten Mangel beseitigt
als auch den Fertigungsaufwand erheblich verringert und
eben dadurch eine Automatisierung des Herstellungsprozesses
möglich macht. Dabei wird Wert darauf gelegt, einen leicht bearbeitbaren, fehlerfreien, maßgenauen und homogenen
Wärmetauscher aus Keramik zu erhalten. Ferner soll zur Durchführung
des Verfahrens eine geeignete Vorrichtung zum Aufbau eines Wärmetauschers aus einzelnen Folien geschaffen
werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Hauptanspruch
angegebenen Verfahrensschritte gelöst. Für die Herstellung der Folien werden übliche keramische Schlicker verwendet.
Dor Schlicker besteht aus einem keramischen Pulver, organischem liinderaittel, Dispergier— oder Verdünnungsmittel und
ggf. Weichmachern sowie sonstigen Hilfsmitteln in Form von
Ölen. Ausgegangen wird hauptsächlich von Siliciumschlickern,
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denen bevorzugt 3 bis 10 Gew.-^ Cordiorit zugegeben wird.
Andere keramische Pulver bestehen aus Cordierit mit der
Zusammensetzung von 9 bis 20 Gew.-^ MgO, 30 bis 50 Gew.-^
Al2O und 41 bis 57 Gew.~% SiOg. Ferner eignet sich auch
gut Siliciumcarbid, wobei die Mischung aus 70 bis 92 Gew.-%""
SiC und 8 bis 30 Gewo-^ C besteht«. Ferner können halbleitende Bariumtitanate verwendet werden, wenn der Warmetauscherblock
gleichzeitig als Heizelement einzusetzen ist, indem er mit elektrischem Strom beaufschlagt wird. Das organische
Bindemittel unterliegt an sich keiner besonderen Beschränkung«;
sofern eine gute Bindung zum keramischen Pulver gewährleistet
ist und bei der Folie ggf. in Kombination mit dein Weichmacher
die erforderliche Zähigkeit xind Maßhaltigkeit vorliegt. Insbesondere
gut bewährt haben sich Polyvinylazetate und Polyvinylbutyral. Als Dispergierungs- und Verdünnungsmittel dienen
Wasser oder organische Lösungsmittel wie ziun Beispiel Äthanol,
Toluol und Trichloräthylen» Erfindungsgemäß besonders geeigneter
Rahmenrezepturen für die Herstellung der Keraraikfolien sind
nachfolgend angegeben, wobei die Schlickerrezepturen nach
Keramikrohstoff- und Binde- bzw. Lösungsmitteln aufgeschlüsselt
sind:
Rohstoffe | Bevorzugter Bereich (Gew. ~fo) |
Spezielles Beispiel (Gew. -fc) |
Keramische Pulver Bindemittel Lösungsmittel |
60 - 70 7-10 23 - 30 |
65 8 27 |
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Die Viskosität des Schlickers ist insbesondere durch,
den Lösungsmittelgehalt beeinflußbar. Auch hat sich
herausgestellt, daß die Anwendung von Ultraschall bei der Aufbereitung des Gießschlickers besonders vorteilhaft
ist. Durch diese Behandlung erhält man einen Gießschlicker mit größerer Homogenität, besseren Gießeigenschaften und
einem maximalen Gehalt an Feststoffanteilen, vas sich besonders auf die Rohdichte der Folie auswirkt. Auf diese
Weise kann man Folien mit größerer Packungsdichte und verbesserten
mechanischen Eigenschaften bekommen. Weiterhin
ist es sinnvoll, am Gießband eine Vibrationsvorrichtung
vorzusehen, die den Gießschlicker nochmals verdichtet bzw. eine gleichmäßige Folienstärke über die ganze Bandbreite
ermöglicht.
Nach diesem Verfahren werden die Keramikfolien nach dem
Laminieren auf Kndmaß gebracht. Werden dicke Folien bzw. sehr hohe S fcröinungskanäle verlangt, die über die Folienstärke
von 0,1 bis 1,5 mm hinausgehen, so werden in einem Vorlaminierungsprozeß die Folien zu einzelnen Karten mit
einem Laminierhilfsmittel verbunden. Aus diesen Folien
bzw. Karten werden dann verschiedene StrömungHkanäle ausgestanzt
bzw. wii'd die Folie einem Prägeverfahren unterworfen.
Tm letzteren Fall werden die keramischen Folien
in Matrizen bei 20 bis 120 C und Drücken von 5 bis 100 bar ciusgesetzt, wodurch kammartige Vorsprünge entstehen.
Die ausgestanzten bzw. geprägten Karten werden dann mittels dex· erfiiulimgsgeinäßeri Vorrichtung zu einem Wärmetauscherblock
aufgebaut, mit der gleichzeitig das Zusammenlaminieren
der Einzelschichten mit Hilfe einer Laminierpresse erfolgt.
.:..:-. _■■£"_ - SeA, den 08.09.81
. 9.
Bei dem Laminierungsvorgang verwendet man eine Pressvorrichtung bei Drücken von 0,1 bis 15 bar, vorzugsweise
1 bar und Zeitintervalle von 1 bis 10 see. Normalerweise
wird bei Raumtemperatur gearbeitet, aber auch Temperaturen bis zu 100 C sind anwendbar. Im einzelnen Fall richtet sich
der angewendete Druck nach dem Qrganikgehalt und der Art
des Laminicrhilfsmittels· Für den Laminierungsvorgang
benutzt man entweder eine Paste, die vorzugsweise einen keramischen Füllstoff enthält oder ein rein organisches
Klebemittel, welche durch Siebdrucken, Sprayen oder Rollen aufgetragen werden» Die Anwendung von Laminiei'hilf sraittel
bringt mehrere Vorteile mit sich« Zum einen werden niedrige Drücke beim Laminiervorgang ermöglicht, wodurch eine Verformung der Strömungskanäle vermieden wird. Weiterhin wird
die Welligkeit der Folien ausgeglichen und schließlich verringert das- Laminierhilfsmitbei wirkungsvoll die Larainierfehler·
. Anschließend erfolgt das Ausbeizen der organischen Bestandteile bis auf 40 bis 60 % des Kunststoffanteils, was
eine zusätzliche Rohfestigkcit bewirkt. Damit wird auch erreicht,
daß der Wärmetauscherblock gut bearbeitbar ist, ohne
daß die Werkzeuge durch die organischen Besbandteile der keramischen Folie verschmieren. Danach erfolgt das Ausheizen
der restlichen organischen Bestandteile und das Sintern des Wärmetauscherblockes zwischen 1200 bis 1700 C.
Eventuell ist noch ein Nachbearbeiten der Eingangs- und Austrittsöffnungen der Strömungskanäle notwendig, um einen
guten Anschluß zu den verschiedenen zu- und abführenden Medien zu erhalten.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Im einzelnen
handelt es sich um eine kombinierte Form-, Laminierhilfsmittelauftrags-
und Laminiervorrichtung. Dabei werden
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Folien. bzwo vorlaminierte Karten einer Formgebung zur
Ausbildung der Ströinungslcanäle unterworfen. Mittels Saugplatten,
die horizontal und vertikal bewegbar sowie um 180 schwenkbar sind, werden die Karten zur Auftragsvorrichtung
für das Laminierhilfsmittel gebracht. Von dieser Vorrichtung schwenkt dann die Saugplatte zu der
Laminierpresse und legt dort die unterschiedlich geformten Karten wechselweise ab, -wodurch sich der Warmetauscherblock
aufbaut. Der so erhaltene Kartenstapel wird einem Preßdruck unterworfen.
Das Verfahren ermöglicht insbesondere durch die erfindungsgcmäße
Vorrichtung eine weitgehende Automatisierung, da. bei der bisherigen Herstellung durch die einzelne Handhabung
beim Stanzen, Positionieren und Laminieren kein kontinuierlicher Arbeitsvorgang durchführbar war. Nach dem
Verfahren der Erfindung erhält man auch Wärmetauscher,
die sehr homogen sind und eine sehr gute Kontaktauflage
zwischen den einzelnen Schichten nach dem Sintern zeigen. Mit dem verbesserten Verfahren ergeben sich auch qualitativ
bessere Wärmetauscher und ohne größeren Aufwand können sogenannte Schikanen quer zur Strömlingseinrichtung
der Kanäle eingebaut werden. Die Schikanen sind frei wählbar und nicht mehr abhängig vom Herstellungsprozeß. Eine
weitere Möglichkeit sieht vor, daß man gekrümmte Strömungskanäle herstellen kann. Somit sind auch unsymmetrische
xmd zylinderförmige Wärmetauscher zu fertigen. Weiterhin
kann man Wärmetauscher erhalten, die wahlweise aus Schichten von Siliciumnitrid, Siliciumcarbid und Cordierit in Form
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.M-
von Platten oder Folien bestehen gemäß der DK-OS 26 31 092.
Durch diese Verwendung von Cordierit, insbesondere bei
Siliciumnitrid erhält man glatte und dnniil widors bnndsarme
Strömungskanäle.
Weitere Besonderheiten des erfindiuigsgemäßen Verfahrens
sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Aufbau des
Wärmetauschers aus einzelnen Folien ergeben sich aus dem Beschreibungsbeispiel zur Herstellung eines solchen Wärmetauschers
anhand der Zeichnungen. Rs zeigen:
Fig. 1: Verfahrensstammbaum des erfindungsgemUßen Verfahrens;
Fig.. 2: Draufsicht auf Karten mit und ohne verschiedenen
ausgestanzten Strömungskanälen;
Fig. 3: Erfindungsgemäße Vorrieb, ttmg zum Bau eines
Wärmetauschers aus einzelnen Folien.
Fig. 4: Die perspektivische Ansicht einer Ausführungsform
gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Die Fig. 1 zeigt das Herstellungsverfahren eines erfindun-gsgemäßen
Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschers aus Siliciumnitrid. Zur
Herstellung des keramischen Gießschlickers werden 100 Gew.-$ Siliciurapulver mit 2k Gew.-$ Äthanol, 10 Gew.-^ Toluol, 1,5
Gew.-fa Menhaden-Oil, 8 Gew.-^ Polyvinylbutyral und als Weichmacher
5 Gew.-^ Palatinol und/oder Ucon-Öxl zugegeben. Diese
Mischung wird 20 Stunden in einer Trommelmühle mit Al 0 Kugeln gemahlen und der Schlicker wird anschließend evakuierte
Das übliche Verziehen des Schlickers zur Folienherstellung erfolgt auf einem Stahlband. Die Schlickerzugabe geschieht
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• //a
über einem Gießschub., wobei die Folienstärke durch eine
einstellbare Spalthöhe von 0,2 bis 1,5 mm am Gießschuh bestimmt wird. Die Folie wird dann vom Stahlband abgezogen
und vereinzelt. Dabei hat sich als zweckmäßig herausgestellt, sogenannte Vorlaminate aus zwei bis drei
Folien aufzubauen. Die Verbindung der einzelnen Folien untereinander wird durch Aufsprayen bzw. durch Auftragen
eines Laminierhilfsmittels erreicht. Im letzteren Fall
verwendet man eine Paste, die beispielsweise aus 65 Gew. —fo
Silicium und/oder Cordierit bzw. aus Mischungen derselben besteht. Tn der Paste sind ferner 20 bis 40 Gew.-fo ungesättigte
Alkohole und 3 bis 10 Gew.-fo Bindemittel, die Weichmacher und
Polyvinylbutyral enthalten. Der Aufdruck der Paste erfolgt in diesem Fall im Siebdruckverfahren. Gleichzeitig wird durch
den Feststoffgehalt der Paste die Oberflächenunebenheit ausgeglichen.
Ebenfalls erfolgt ein obo.rflächiges Anlösen der
Folien durch die Paste, was später zu homogenen Verbindungen der einzelnen Schichten führt. Bei der Verwendung von Siliciumfolicn
ist es sinnvoll, die Vorlaminate vollsbändig zu bedrucken,
zumal wenn die Paste einen Cordieritbestandteil enthält, dei· mit dem späteren Siliciumnitrid im Sinterprozeß
zur Ausschwitzung von einer Glasphase führt, was glatte und dichte Oberflächen der Strömungskanäle bewirkt. Ansonsten
werden mir diejenigen Stellen bedruckt, die zur Verbindung der Folien notwendig sind. Damit wird erreicht, daß die ausgestanzten
Teile wieder zurückgeführt und dem Gießschlicker beigesetzt werden können.
In Fig. '2 sind die rechteckigen Folien bzw. Karten mit einer
Dicke von 0,9 min für den Aufbau eines Gasheizwärmetauschers zu sehen. Diese Karten 1 haben dabei Abmessungen von 12o mm χ
400 mm und sind mit einem zusätzlichen Rand 2 versehen, der
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bei der späteren Nachbearbeitung entfernt wird. Bei den ausgestanzten
Karten mit einer Stärke von 1,8 mm weisen die Hauch-"
gaskanäle 3 eine Breite von 50 mm auf und die Wandungen h
haben eine Breite von 3 bis 7 nun· Während für die ausgestanzten
Wassertaschen 5 eine Breite von 100 mm gewählt worden ist und mit Schikanen 6 senkrecht zur Strömungsrichtung
versehen sind, beträgt hier die Kartendicke 2,7 min,»
Die Schikanen sollen insbesondere bewirken, daß die Temperaturverteilung gleichmäßig in den Strömungskanälen ist.
Der Zusammenbau des Wärmetauscherblocks erfolgt mit Hilfe
der erfindungsgemäßen Vorrichtung wie es sich aus Fig. 3
ergibt. Bie Saugplatte 7 holt sich Karten 1, die gleichzeitig als Abdeckungen zwischen den später ausgestanzten
Karten 3 und 5 dienen von einem St?ipe3 aus einem Magazin 8.
BIe Saugplatte 7 schwenkt dann um 180 und bringt die Karte
unter die Siebdruckvorrichtung 9· Hi or wird das Jiaminierhilfsniittel
aufgebracht. Die Saugplatte 7 legt die Karte auf das Unterteil 10 der Laminierpresse 11 al) und kehrt zurück zum
Magazin 8. Eine neue Karte 1 wird dann der Stanze 13 zugeführt,
Zweclonäßigerweise hat man hier eine Stanze I für die
Rauchgaskanäle 3 und die Stanze II für die Waasertaschen 5
gemäß der Fig. 4, die einen zusammengebauten Wärmetauscher
zeigt, bei dem die Ränder 2 entfernt worden sind. Die Saugplatte nimmt nun die ausgestanzte Karte 3 bzw. 5 und bringt sie
für den Laminiermittelauftrag unter die Siebdruckvorrichtung
Nach erfolgtem Siebdruckvorgang wird die Saugplatte 7 um
geschwenkt und mit leichtem Druck auf die Karte 1 aufgebracht. Durch das wechselweise Ablegen der Karten 1 auf die aufgestanzten
Karten 3 und 5 wird der Wärmetauscherblock gestapelt.
Ber so fertig gestellte Wärmetauscherbloclc wird dann in der
Selb, den 08.09.81
Laminierpresso 11 zwischen dem Ober- 12 und Unterteil 10
zusammengepreßt, wodurch gleichzeitig der Laminierprozeß
einse tz t.
Der gestapelte Wärmetauschorbloek wird, nachdem er der
Laminierpresse entnommen worden ist, bei Temperaturen zwischen 100 his 200 C einer Temperaturbehandlung unterworfen.
Dabei verflüchtigen sich die organischen Bestandteile besonders der Weichmacher und das Laiuinierhilf smittel.
Der Ausheizvorgang dauert ein bis zwei Tage, wobei 40 bis 60 fo der organischen Bestandteile aus dem Wärmetauscherblock
ausgetrieben werden. Danach kann der Wärmetauscherblock gleichsam durch Fräsen oder Sägen bearbeitet werden, so daß er
seine endgültigen Maße erhält. In einem Zeitraum von ca.
bis 3 Tagen wird dann der restliche (iohalt an organischen
IU'.s tand toil en bei Temperaturen zwischen 200 und 300 C
iuisgeh« i.zt.. Durch diese Maßnahme entfällt insbesondere bei
Si 1. i ciuml'ol i en dann das übliche Vorsintern bzw". Vornitri—
diorung bei ILOO bis 1300 C. Die Nitridierung erfolgt dann
in bekannter Weise zwischen I3OO bis 1400 C. Wie schon erwähnt,
kann man die Dichtigkeit der fertigen Silicium-Wärmetauscher noch erhöhen, indem man zweckmäßigerweise 3
bis 10 (io¥,-j! Silicium durch Cordierit beim Laminiex-hilfsmittel
ersetzt. Diese Maßnahme kann auch beim Gießschlicker erfolgen. Dann ist ,jedoch ein Nachsintern bei Temperaturen
zwischen 1300 bis 1400 C notwendig, und zwar unter Λη—
weseiihei t von Sauerstoff, wie sich aus der DE-PS 25 44
ergibt. Das Krgelmis dieses Verfahrens ist ein homogener einstiickigor
Wärmetauscher, der sich durch eine gleichmäßige Fes fcigke i. t auszeichnet.
. /15· Leerseite
Claims (8)
1. Verfahren zum Herstellen von Wärmetauschern mittels Folientechnik, indem Folien geformt, gestapelt, laminiert
und gebrannt werden, dadurch gekonnzeichnet, daß
- die Folien aus keramischen Schlickern hergestellt werden;
- in die Folien bzw. Karten verschiedene Strömungskanäle gestanzt oder geprägt werden, wobei durch Vo rl amini ell
einzelner Folien eine bestimmte Kartendicke erhalten wird;
- auf die einzelnen Folien bzw. Karten ein Laminierhilfsmittel
aufgetragen wird;
- die einzelnen Karten zu einem Wärmetauscherblock gestapelt
werden und gleichzeitig das Laminieren der einzelnen Schichten erfolgt;
- .die organischen Bestandteile auf 40 bis 60 % des Kimststoff-
anteils ausgeheizt werden;
- der Wärmetauscherblock nachbehandelt wird und anschließend
die restlichen organischen Bestandteile zwischen 200 bis 3OO 0C entfernt werden;
- 2 - Selb, den 08.09.81
- der laminierte Wärmetauscherblock zwischen 1200 bis
I7OO C gebraunt wird
- und ein eventuelles Nachbearbeiten der Ein- und Austrittsöffnungen der Strömungskanäle erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliciumschlicker vorzugsweise 3 bis 10 Gew.-fo
Cordierit enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadui-ch gekennzeichnet,
daß sich der keramische Anteil beim Cordieritschlicker aus 9 bis 10 Gew.-^ MgO, 30 bis 50 Gewo-^ A1 2°3 und
41 bis 57 Gew.-^ SiO0 zusammensetzt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Anteil beim Siliciumcarbidschlicker
aus 70 bis 92 Geve-# SiC und 8 bis 30 Gew.-$ C besteht.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gießschlicker halbleitende Bariumtitanatverbindungen
enthält.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß eLno Ultraschall- und/oder Vibrationsvorrichtung am
Gießband vorhanden iat.
7· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
nicht mir die Strömungskanäle, sondern auch beliebige
Schikanen ausgestanzt werden.
- 3 - Selb, den 08.09.81
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Strömungskanale durch Prägen erzeugt werden, indem die
keramischen Folien bzw. Karten in Matrizen bei 20 bis 120 C
und Drücken von 5 bis 100 bar ausgesetzt werden*
9o Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens gemäß
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vom Magazin mit gestapelten Folien bzw. Karten gearbeitet wird, wobei der
Transport zu den Formgebungsvorrichtungen, Auftragsvorrichtungen
für das Laminierhilfsmittel und die Laininiervorrichtungen
mit schwenk- und drehbaren Saugplatten erfolgt.
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Owner name: HOECHST CERAMTEC AG, 8672 SELB, DE |
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