EP1771236A1 - Verfahren zum herstellen mindestens eines bereichs einer filterstruktur, insbesondere für einen partikelfilter im abgassystem einer brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zum herstellen mindestens eines bereichs einer filterstruktur, insbesondere für einen partikelfilter im abgassystem einer brennkraftmaschine

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EP1771236A1
EP1771236A1 EP05764002A EP05764002A EP1771236A1 EP 1771236 A1 EP1771236 A1 EP 1771236A1 EP 05764002 A EP05764002 A EP 05764002A EP 05764002 A EP05764002 A EP 05764002A EP 1771236 A1 EP1771236 A1 EP 1771236A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
film
filter
sintered metal
producing
structuring
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05764002A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph Treutler
Uwe Glanz
Leonore Schwegler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1771236A1 publication Critical patent/EP1771236A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D39/00—Filtering material for liquid or gaseous fluids
    • B01D39/14—Other self-supporting filtering material ; Other filtering material
    • B01D39/20—Other self-supporting filtering material ; Other filtering material of inorganic material, e.g. asbestos paper, metallic filtering material of non-woven wires
    • B01D39/2027—Metallic material
    • B01D39/2031—Metallic material the material being particulate
    • B01D39/2034—Metallic material the material being particulate sintered or bonded by inorganic agents
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D46/00—Filters or filtering processes specially modified for separating dispersed particles from gases or vapours
    • B01D46/0001—Making filtering elements
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    • B01D—SEPARATION
    • B01D46/00—Filters or filtering processes specially modified for separating dispersed particles from gases or vapours
    • B01D46/52—Particle separators, e.g. dust precipitators, using filters embodying folded corrugated or wound sheet material
    • B01D46/521—Particle separators, e.g. dust precipitators, using filters embodying folded corrugated or wound sheet material using folded, pleated material
    • B01D46/522—Particle separators, e.g. dust precipitators, using filters embodying folded corrugated or wound sheet material using folded, pleated material with specific folds, e.g. having different lengths
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/10—Sintering only
    • B22F3/11—Making porous workpieces or articles
    • B22F3/1103—Making porous workpieces or articles with particular physical characteristics
    • B22F3/1115—Making porous workpieces or articles with particular physical characteristics comprising complex forms, e.g. honeycombs
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2279/00—Filters adapted for separating dispersed particles from gases or vapours specially modified for specific uses
    • B01D2279/30—Filters adapted for separating dispersed particles from gases or vapours specially modified for specific uses for treatment of exhaust gases from IC Engines
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2999/00—Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy

Definitions

  • the invention relates to a method for producing at least one region of a filter structure, in particular for a particle filter in the exhaust system of an internal combustion engine.
  • sintered metal For the production of metallic filter mats sintered metal is suitable.
  • the processing of powdered metal is advantageous because of the particle size and
  • Particle size distribution of the powder used and on the sintering conditions can set a defined density and pore size of the sintered metal.
  • a carrier material for example an expanded metal or a metal fabric
  • the carrier or framework material fulfills two tasks: it helps to fix the sintered metal powder and later stabilizes the filter bag.
  • Such a filter device is known from DE 101 28 936 Al.
  • the particle filter shown there is installed in the exhaust system of a diesel internal combustion engine.
  • the filter walls in the known filter device are made of sintered metal and arranged so that wedge-shaped filter bags are formed.
  • the tapered wedge edges of the filter pockets show against the flow direction of the exhaust gas, the rear narrow side of a filter pocket seen in the flow direction is open.
  • the filter bags are arranged side by side in such a way that an overall rotationally symmetrical, annular filter structure is formed.
  • the filter walls are formed by labile sintered metal foils or sintered metal mats, which are connected to separate supporting or support structures, for example perforated plates, metal fabrics or the like.
  • a flowable paste or slurry can be prepared from sintered metal powder and an organic binder and by means of solvents.
  • the powder processed in this way can then be applied either by immersing the metal mesh or the expanded metal in the paste or the slip, or the metal mesh or the expanded metal can be cast in a casting process with the slip or overprinted with the paste (for example in screen printing technique) , In all variants of this process is a subsequent
  • Drying step required in which solvent is evaporated and the sintered metal powder is fixed on the metal framework.
  • a framework material significantly increases the weight and cost of a filter mat. It is therefore desirable to be able to dispense with a framework material and still produce defined, stable sintered metal foils. Object of the present invention is therefore to develop a method of the type mentioned so that a filter device with precisely defined properties can be produced inexpensively without the use of a support structure.
  • the use of a film has the advantage that its thickness, density and structuring of the sintered metal filling can be defined very precisely. These parameters allow the permeability of the sintered metal filter to be precisely predefined.
  • the structuring of the film allows the creation of a defined surface structure and thus the targeted enlargement of the active filter surface.
  • step b the film through
  • Film sheeting, tape casting or film extrusion is produced. All of these methods allow an exact adjustment of the film thickness and the production of a homogeneous, smooth and bubble-free sintered metal foil.
  • step b green films
  • step b multilayer green films
  • the structuring takes place in step c, preferably at a temperature in the range of 80-150 ° Celsius, preferably in the range of 80-90 ° Celsius.
  • the structuring temperature, at which the sintered metal foil is plastically deformable can be very well adjusted by an appropriate selection and amount of organic binder.
  • the specified temperature range is therefore particularly advantageous since the required energy input is limited and yet a good effect is already achieved with conventional organic and thermoplastic binders. This is especially true for the range of 80 - 90 ° Celsius.
  • the structuring is preferably carried out by means of stamping plates, which are placed on the film and pressed. It can also be a structured one. Laminierwalze be used, or it can be arranged several rollers in a row. Also, a two-sided arrangement of the rollers is possible.
  • both sides of the film are subjected to a structuring step.
  • a bilateral wafer structure of the film which has the advantage that not only surface is produced, but also the mechanical stability of the film is improved via suitable geometries (wafer structures, honeycomb structures, see below) becomes.
  • a plurality of differently structured films can be laminated together in order to increase the overall layer thickness or locally. This can take place before or after the embossing process, but advantageously several green sheets are first laminated together in order to achieve the desired layer thickness or even a desired gradient. Adjust powder size distribution and / or density distribution, and then embossed one or both surfaces.
  • films containing differently fine or coarse sintered metal powder may be combined together to influence the pore structure of the finished filter sheet.
  • coarse and fine powders have different tendencies to bond.
  • An equally important factor is the so-called green density of the films, that is, how close the particles are to each other and how quickly and how well they bond to each other.
  • laminate two films together one of which can be structured particularly well due to their composition, while the other is mechanically very stable, to allow in this way a safe handling in the production process. This is determined by the organics used in film production, i.e., the polymer binder used, the softening additives, etc.
  • a support structure In a further embodiment of the method according to the invention, it is possible to additionally connect the film to a support structure.
  • a metallic fabric, an expanded metal or a perforated plate is used as the support structure.
  • Optimum filter properties in particular when the filter device is used as a particle filter in the exhaust system of an internal combustion engine, are achieved if the sintered metal powder has a grain size of approximately 1-150 ⁇ m, preferably 40-70 ⁇ m, more preferably 50-60 ⁇ m.
  • step a the sintered metal powder with approximately 8% by weight of acrylate binder and butyl acetate as solvent is processed into a sacable slip.
  • Figure 1 is a schematic representation of an internal combustion engine with a
  • Figure 2 is a perspective view of the filter structure of Figure 1;
  • FIG. 3 shows two filter pockets of the filter structure of FIG. 1;
  • FIG. 4 shows a flowchart of a method for producing a filter wall of FIG
  • FIG. 5 shows a section through a sintered metal foil before the structuring step
  • FIG. 6 shows a section through the sintered metal foil from FIG. 5 after structuring with a first embossing plate
  • FIG. 7 shows a section through the sintered metal foil from FIG. 5 after structuring with a second embossing plate
  • FIG. 8 shows an embodiment of the structuring by means of weapon-shaped embossing plates
  • Figure 9 shows various embodiments of multilayer green sheets according to the invention.
  • an internal combustion engine carries the reference numeral 10. It includes an exhaust system 12, in which a particulate filter 14 is arranged. By means of this, for example, soot particles can be filtered out of the exhaust gas of the internal combustion engine 10.
  • the particulate filter 14 comprises a housing 16 and a filter structure 18 arranged in the housing 16.
  • the filter structure 18 is shown in more detail in Figure 2: It comprises a plurality of wedge-shaped filter pockets 20, which are arranged with their tapered wedge edge opposite to the flow direction of the exhaust gas.
  • the filter pockets 20 are arranged next to each other about an overall longitudinal axis, so that an overall rotationally symmetrical filter structure 18 is formed.
  • the radially inner and outer narrow sides of the filter pockets 20 are closed.
  • the downstream in the flow direction narrow sides of the filter bags 20 are open. In the area of their rear ends in the flow direction, the filter bags are interconnected.
  • FIG. 3 two adjacent filter pockets 20a and 20b are shown.
  • the exhaust gas enters an area between the two filter pockets 20a and 20b, passes through a lateral filter wall 22 and thus enters the interior of the respective filter pocket 20a and 20b.
  • the gasbgasstrom is shown by an arrow 24.
  • the particles are separated from the exhaust gas and deposited on the upstream surface of the side wall 22.
  • the walls, and in particular the side walls 22 of the filter pockets 20, are made of a porous sintered metal.
  • a method for producing, for example, the side walls 22 of the filter pockets 20 is shown in FIG. 4.
  • sintered metal powder 26 having a grain size of about 50-60 ⁇ m, preferably 53 ⁇ m, with about 2-8% by weight of acrylate binder 28 and a volatile organic compound Solvent, for example.
  • Butyl acetate or alcohol 30 processed by a device 32 to a squeegee slurry 34. This is processed with a film doctor blade 36 to a 100 - 500 .mu.m thick sintered metal foil 38 (green film). If so-called multi-layer green sheets 39 are produced from these single sheets, the thickness is preferably> 450 ⁇ m.
  • This metal foil or multilayer green sheets are then patterned by means of a device 40 using either embossing plates or a structured laminating roller.
  • the sintered films are heated to a temperature of about 80 0 C, there are various stamping plates placed and pressed.
  • the structure of the embossing plates was clearly visible after pressing on the corresponding blank 42.
  • the blank 42 is then sintered, creating a quasi-one-piece composite 46.
  • filter bags 22 are then produced by punching, folding and welding.
  • FIGS. 5, 6 and 7 show sections through a blank 42 used according to the invention.
  • FIG. 5 shows a blank 42 having a defined layer thickness and green density, which was produced by means of a comparatively thick sintered metal foil 38. Overall, the surface 52 of the sintered metal foil 38 is smooth.
  • the blank 42 drawn in FIG. 6 corresponds to that produced using the method described in FIG. 4: It can be seen that the surface structure of the stamping plate 40 is imaged on the surface 52 of the sintered metal foil 38.
  • FIG. 7 shows a blank 42 which has been produced with a differently structured embossing plate 40 and whose surface 52 has a correspondingly embossed pattern 54.
  • the mechanical stability of the film can be improved by means of suitable geometries.
  • a sintered metal foil with a high surface area and at the same time high mechanical stability can be produced by the production of a "waffle iron structure" described below.
  • sintered metal powder 26 with a grain size of approximately 50-60 ⁇ m, preferably 53 ⁇ m, with approximately 2-8% by weight of acrylate binder and a volatile organic solvent, for example butyl acetate or alcohol 30, is processed by means 32 into a squeegee 34 , This is processed with a film doctor blade 36 to a 100-500 .mu.m, preferably> 450 .mu.m thick sintered metal green sheet 38.
  • This foil is then structured, for example, by means of the embossing plates 56 shown in FIG. 8. For this purpose, the tool is heated to a temperature of about 8O 0 C, the green sheet 38 is inserted and closed the tool under pressure.
  • the green sheet 38 is removed again and has now adopted the structure of the stamping plates.
  • the blank is then sintered, whereby the geometry of the three-dimensionally structured film 38 is completely preserved.
  • the sintered metal powder in place of a defined film 38 in other geometries (tablets, roughly divided plates, flat breads, etc) in the form of a thermoplastic compound 58 (see Fig. 8).
  • the following example shows the production of high surface area sintered metal foils by using graded green sheets or multilayer films.
  • sintered metal powder 26 having a grain size of, for example, 50 ⁇ m, with about 2-8% by weight of acrylate binder and a volatile organic solvent, for example butyl acetate or alcohol 30, is processed by means 32 into a squeegee 34. This is processed with a film doctor blade 36 to a 100-500 .mu.m, preferably ⁇ 200 .mu.m thick sintered metal green sheet 38. Likewise, with powder, for example, the grain size of 30 microns and 80 microns, process.
  • green film variants are higher organics film compositions (e.g., 6-20 wt% acrylic binders), or films having pore-forming additives which completely volatilize in the sintering process. Films having different layer thicknesses are also possible variants, such as the use of defined powder mixtures (narrow monomodal, bi- or trimodal grain size distributions) or different powder types (e.g., spherical round powder types, irregular drop-shaped powder types, flaky powder types, etc.) in film production.
  • defined powder mixtures narrow monomodal, bi- or trimodal grain size distributions
  • different powder types e.g., spherical round powder types, irregular drop-shaped powder types, flaky powder types, etc.
  • These film variants 38 can be combined with one another in different ways to multilayer green films 39.
  • the porosity and the surface properties of the sintered filter foils 46 can be adjusted or defined in a targeted manner. For example, by laminating different film variants after sintering, a filter film with a coarse-pored and a fine-pored side can be achieved, or it is obtained when using films of different green density after sintering a filter film with very strong surface roughness, since the side with the lower green density shrinks inhomogeneously during sintering, and forms porous surface structures. In both cases sintered metal filters with graded porosity and high surface area are obtained.
  • the above-mentioned multi-layer green sheets 39 produced by laminating single sheets 38 are processed like the green sheets 38 and can be used as needed, such as Also, the films themselves 38 are laminated to a scaffold such as an expanded metal 62 and / or additionally mechanically structured by embossing.
  • FIG. 9 shows various possibilities for the design of multi-seed green films 39.
  • FIG. 9A shows a triple laminate 60 of three similar green sheets 38 with expanded metal 62 laminated on it as a support structure.
  • Fig. 9B shows a dual laminate 64 of two different green sheets 38 each having a fine and a coarse powder (66, 68). The surface of the coarse powder film 68 is further patterned by embossing to increase the filter surface area.
  • 9C shows a green sheet with so-called "waffle structure", produced using a multilayer green film 39 consisting of three layers (70, 72, 74) with different powder filling
  • FIG. 9D finally shows a double laminate 76 of two different green sheets 78, 80, FIG. wherein one film is highly filled, and the other has a lower degree of filling of metal powder and optionally also contains pore-forming additives .Alaminated expanded metal 62 is again shown in FIG.

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Abstract

Es wird Verfahren zum Herstellen mindestens eines Bereichs einer Filterstruktur, insbesondere für einen Partikelfilter im Abgassystem einer Brennkraftmaschine vorgestellt, das folgende Schritte umfasst: a. Herstellen eines Gemisches aus einem Sintermetallpulver und einem organischen Binder; b. Herstellen einer Folie aus dem Gemisch; c. Strukturieren der Folie; und d. Sintern.

Description

Verfahren zum Herstellen mindestens eines Bereichs einer Filterstruktur, insbesondere für einen Partikelfilter im Λbgassvstem einer Brennkraftmaschine
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen mindestens eines Bereichs einer Filterstruktur, insbesondere für einen Partikelfilter im Abgassystem einer Brennkraftmaschine.
Zur Herstellung von metallischen Filtermatten eignet sich Sintermetall. Insbesondere die Verarbeitung von pulverförmigem Metall ist vorteilhaft, da sich über die Partikelgröße und
Partikelgrößenverteilung des eingesetzten Pulvers sowie über die Sinterbedingungen eine definierte Dichte und Porengröße des Sintermetalls einstellen lässt.
Zur Herstellung von Filtermatten aus Sintermetall wird derzeit ein Trägermaterial (z.B. ein Streckmetall oder ein Metallgewebe) mit Sintermetallpulver beschichtet und gemeinsam ver¬ sintert. Das Träger- oder Gerüstmaterial erfüllt dabei zwei Aufgaben: es hilft, das Sintermetallpulver zu fixieren und stabilisiert später die Filtertasche.
Eine solche Filtereinrichtung ist aus der DE 101 28 936 Al bekannt. Der dort gezeigte Partikelfilter ist in das Abgassystem einer Diesel-Brennkraftmaschine eingebaut. Die Filterwände bei der bekannten Filtereinrichtung sind aus Sintermetall hergestellt und so angeordnet, dass keilförmige Filtertaschen gebildet werden. Die spitz zulaufenden Keilkanten der Filtertaschen zeigen entgegen die Strömungsrichtung des Abgases, die in Strömungsrichtung gesehen hintere Schmalseite einer Filtertasche ist offen. Die Filtertaschen sind nebeneinander derart angeordnet, dass eine insgesamt rotationssymmetrische, ringartige Filterstruktur gebildet wird. Bei dem bekannten Partikelfilter sind die Filterwände durch labile Sintermetallfolien oder Sintermetallmatten gebildet, die mit gesonderten Trag- beziehungsweise Stützstrukturen, beispielsweise Lochblechen, Metallgeweben oder dergleichen, verbunden sind.
Vom Markt her bekannt ist es auch, aus einem Sintermetall und einem möglichst geringen Anteil an einem organischen Binder eine streichfähige, mörtelartige Masse herzustellen. Diese wird nach dem Zellradprinzip in Metallgewebe oder Streckmetall eingerakelt. Damit entsteht eine glatte und damit relativ geringe Filteroberfläche.
Ferner kann aus Sintermetallpulver und einem organischen Binder sowie mittels Lösemitteln eine fließfähige Paste oder ein Schlicker hergestellt werden. Das auf diese Weise aufbereitete Pulver kann dann entweder durch Eintauchen des Metallgewebes oder des Streckmetalls in die Paste beziehungsweise den Schlicker aufgebracht werden, oder das Metallgewebe beziehungsweise das Streckmetall kann in einem Gießverfahren mit dem Schlicker Übergossen beziehungsweise mit der Paste überdruckt werden (beispielsweise in Siebdrucktechnik). Bei allen Varianten dieses Prozesses ist ein anschließender
Trocknungsschritt erforderlich, bei dem Lösemittel abgedampft und das Sintermetallpulver auf dem Metallgerüst fixiert wird.
Schließlich ist noch bekannt, Sintermetallpulver mit Wachsperlen zu vermischen und dieses Gemisch auf das Streckmetall beziehungsweise das Metallgewebe aufzublasen. Durch
Erwärmen sorgen die aufschmelzenden Wachsperlen für eine Fixierung des Pulvers auf dem Metallgerüst.
Je nach eingesetztem Beschichtungsverfahren bleibt dabei aber die Schwierigkeit bestehen, Schichtdicke und Schichtdichte der Sintermetalllage exakt einzustellen und zu beherrschen. Gleichzeitig erhöht ein Gerüstmaterial Gewicht und Kosten für eine Filtermatte deutlich. Es ist daher wünschenswert, auf ein Gerüstmaterial verzichten zu können und trotzdem definierte, stabile Sintermetallfolien zu erzeugen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass eine Filtereinrichtung mit exakt definierten Eigenschaften ohne die Verwendung einer Stützstruktur preiswert hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst:
& Herstellen eines Gemisches aus einem Sintermetallpulver und einem organischen Binder;
b. Herstellen einer Folie aus dem Gemisch;
c. Strukturieren der Folie; und
d. Sintern.
Vorteile der Erfindung
Die Verwendung einer Folie hat den Vorteil, dass deren Dicke, Dichte und die Strukturierung der Sintermetallbefüllung sehr exakt definiert werden können. Durch diese Parameter kann die Permeabilität des Sintermetallfilters exakt vordefiniert werden.
Darüber hinaus kann eine solche Folie prozesstechnisch einfach und preiswert und in reproduzierbarer Qualität hergestellt werden. Auch eine ständige Qualitätskontrolle sowie eine Lagerung einer solchen Folie ist möglich, was ebenfalls den Herstellungsprozess erleichtert und die Herstellkosten senkt.
Das Strukturieren der Folie ermöglicht die Erzeugung einer definierten Oberflächenstruktur und damit das gezielte Vergrößern der aktiven Filteroberfläche.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen. In einer ersten Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass im Schritt b die Folie durch
Folienrakeln, Foliengießen oder Folienextrusion hergestellt wird. Alle genannten Verfahren gestatten eine exakte Einstellung der Foliendicke und die Herstellung einer homogenen, glatten und von Luftblasen freien Sintermetallfolie.
Es ist auch möglich, nach dem Herstellen der Folien im Schritt b (Grünfolien) und vor dem Strukturieren aus diesen Einzelfolien sogenannte Multilayergrünfolien herzustellen.
Das Strukturieren erfolgt im Schritt c vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 80 - 150° Celsius, vorzugsweise im Bereich von 80 - 90° Celsius. Die Strukturierungstemperatur, bei der die Sintermetallfolie plastisch verformbar ist, kann sehr gut durch eine entsprechende Auswahl und Menge des organischen Binders eingestellt werden . Der angegebene Temperaturbereich ist deshalb besonders vorteilhaft, da der erforderliche Energieeinsatz begrenzt ist und dennoch mit üblichen organischen und thermoplastischen Bindern bereits eine gute Wirkung erzielt wird. Dies gilt besonders für den Bereich von 80 - 90 ° Celsius.
Die Strukturierung erfolgt vorzugsweise mit Hilfe von Prägeplatten, die auf die Folie aufgelegt und eingedrückt werden. Es kann aber auch eine strukturierte. Laminierwalze verwendet werden, oder es können mehrere Walzen hintereinander angeordnet werden. Auch eine beidseitige Anordnung der Walzen ist möglich.
Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden beide Seiten der Folie einem Strukturierungsschritt unterworfen. Es ist auf diese Weise bspw. möglich, eine beidseitige Waffelstruktur der Folie zu erhalten, was den Vorteil hat, dass nicht nur Oberfläche erzeugt wird, sondern auch die mechanische Stabilität der Folie über geeignete Geometrien (Waffelstrukturen, Wabenstrukturen, vgl. weiter unten) verbessert wird.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens können mehrere, auch unterschiedlich strukturierte Folien zusammenlaminiert werden, um die Schichtdicke insgesamt oder lokal zu vergrößern. Dies kann vor oder nach dem Prägevorgang stattfinden, vorteilhafterweise werden aber zunächst mehrere Grünfolien zusammenlaminiert, um die gewünschte Schichtdicke oder auch einen gewünschten Gradienten bzgl. Pulvergrößenverteilung und/oder Dichteverteilung einzustellen, und anschließend eine oder beide Oberflächen geprägt. Es ist aber auch denkbar, vorstrukturierte, z.B. perforierte, Folien zusammenzulaminieren
Des weiteren können Folien, die unterschiedlich feines oder grobes Sintermetallpulver enthalten, miteinander kombiniert werden, um Einfluss auf die Porenstruktur des fertigen Filtersheets zu nehmen. Beim Sintern zeigen grobe und feine Pulver unterschiedliche Neigung, sich zu binden. Einen ebenso großen Einfluss hat die sogenannte Gründichte der Folien, d.h., es ist wichtig, wie dicht die Partikel aneinander liegen und wie schnell und wie gut sie sich miteinander verbinden. Es ist auch möglich, zwei Folien miteinander zu laminieren, von denen eine sich aufgrund ihrer Zusammensetzung besonders gut strukturieren lässt, während die andere mechanisch besonders stabil ist, um auf diese Weise ein sicheres Handling im Produktionsprozess zu ermöglichen. Dies wird durch die bei der Folienherstellung verwendete Organik, d.h., den verwendeten Polymerbinder, die weichmachenden Additive, etc., bestimmt.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, die Folie zusätzlich mit einer Stützstruktur zu verbinden. Vorteilhafterweise wird als Stützstruktur ein metallisches Gewebe, ein Streckmetall oder ein Lochblech verwendet. Diese sind preiswert, verdecken nur eine geringe Fläche und gestatten somit im Betrieb einen hohen Gasdurchsatz.
Optimale Filtereigenschaften, insbesondere bei dem Einsatz der Filtereinrichtung als Partikelfilter im Abgassystem einer Brennkraftmaschine, werden erreicht, wenn das Sintermetallpulver eine Körnung von ungefähr 1 - 150 μm, bevorzugt 40 - 70 μm, noch mehr bevorzugt 50 - 60 μmm aufweist.
Günstige Herstellkosten werden erzielt, wenn im Schritt a das Sintermetallpulver mit ungefähr 8 Gew.-% Acrylatbinder und Butylacetat als Lösemittel zu einem rakelfähigen Schlicker verarbeitet wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Nachfolgend werden besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem
Partikelfilter mit einer Filterstruktur;
Figur 2 eine perspektivische Darstellung der Filterstruktur von Figur 1 ;
Figur 3 zwei Filtertaschen der Filterstruktur von Figur 1 ;
Figur 4 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Filterwand der
Filterstruktur von Figur 1 ;
Figur 5 einen Schnitt durch eine Sintermetallfolie vor dem Strukturierungsschritt;
Figur 6 einen Schnitt durch die Sintermetallfolie aus Figur 5 nach der Strukturierung mit einer ersten Prägeplatte;
Figur 7 einen Schnitt durch die Sintermetallfolie aus Figur 5 nach der Strukturierung mit einer zweiten Prägeplatte;
Figur 8 eine Ausgestaltung der Strukturierung mittels waffeiförmiger Prägeplatten; und
Figur 9 verschiedene Ausgestaltungen von erfindungsgemäßen Multilayergrünfolien.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 1 trägt eine Brennkraftmaschine das Bezugszeichen 10. Zu ihr gehört ein Abgassystem 12, in dem ein Partikelfilter 14 angeordnet ist. Durch diesen können beispielsweise Rußpartikel aus dem Abgas der Brennkraftmaschine 10 herausgefiltert werden. Der Partikelfilter 14 umfasst ein Gehäuse 16 und eine in dem Gehäuse 16 angeordnete Filterstruktur 18. Die Filterstruktur 18 ist in Figur 2 genauer dargestellt: Sie umfasst eine Vielzahl von keilförmigen Filtertaschen 20, die mit ihrer spitz zulaufenden Keilkante entgegen der Strömungsrichtung des Abgases angeordnet sind. Die Filtertaschen 20 sind nebeneinander um eine Gesamt-Längsachse angeordnet, so dass eine insgesamt rotationssymmetrische Filterstruktur 18 gebildet wird. Die radial innen und außen liegenden Schmalseiten der Filtertaschen 20 sind geschlossen. Die in Strömungsrichtung hinten liegenden Schmalseiten der Filtertaschen 20 sind offen. Im Bereich ihrer in Strömungsrichtung hinteren Enden sind die Filtertaschen miteinander verbunden.
In Figur 3 sind zwei nebeneinander liegende Filtertaschen 20a und 20b dargestellt: Das Abgas tritt im Betrieb in einen Bereich zwischen den beiden Filtertaschen 20a und 20b, tritt durch eine seitliche Filterwand 22 hindurch und gelangt so in das Innere der jeweiligen Filtertasche 20a und 20b. Der Λbgasstrom ist durch einen Pfeil 24 dargestellt. Beim Durchtritt durch die Seitenwand 22 werden die Partikel aus dem Abgas abgeschieden und an der stromaufwärtigen Oberfläche der Seitenwand 22 abgelagert.
Die Wände, und insbesondere die Seitenwände 22 der Filtertaschen 20, sind aus einem porösen Sintermetall hergestellt. Ein Verfahren zum Herstellen beispielsweise der Seitenwände 22 der Filtertaschen 20 ist in Figur 4 angegeben: Zunächst wird Sintermetallpulver 26 mit einer Körnung von ungefähr 50 - 60 μm, vorzugsweise 53 μm, mit ungefähr 2-8 Gew.-% Acrylatbinder 28 sowie einem leichtflüchtigen organischen Lösemittel, bspw. Butylacetat oder Alkohol 30 mittels einer Einrichtung 32 zu einem rakelfähigen Schlicker 34 verarbeitet. Dieser wird mit einem Filmrakelgerät 36 zu einer 100 - 500 μm dicken Sintermetallfolie 38 (Grünfolie) verarbeitet. Werden aus diesen Einzelfolien sogenannte Multilayergrünfolien 39 hergestellt, beträgt die Dicke vorzugsweise > 450 μm.
Diese Metallfolie oder die Multilayergrünfolien werden anschließend mittels einer Vorrichtung 40 strukturiert, wobei entweder Prägeplatten oder eine strukturierte Laminierwalze verwendet werden können. Hierzu werden die Sinterfolien auf eine Temperatur von ca. 800C erwärmt, es werden verschiedene Prägeplatten aufgelegt und eingedrückt. Die Struktur der Prägeplatten zeichnete sich nach dem Andrücken deutlich auf dem entsprechenden Rohling 42 ab. In einem Ofen 44 wird der Rohling 42 anschließend gesintert, wobei ein quasi einstückiger Verbund 46 entsteht. Aus der Sintermetallfolie werden anschließend durch Stanzen, Falten und Schweissen 48 Filtertaschen 22 hergestellt.
Die Figuren 5, 6 und 7 zeigen Schnitte durch einen erfindungsgemäß verwendeten Rohling 42. In Figur 5 ist ein Rohling 42 mit definierter Schichtdicke und Gründichte dargestellt, der mittels einer vergleichsweise dicken Sintermetallfolie 38 hergestellt wurde. Insgesamt ist die Oberfläche 52 der Sintermetallfolie 38 glatt. Der in Figur 6 gezeichnete Rohling 42 entspricht jenem, wie er unter Verwendung des in Figur 4 beschriebenen Verfahrens hergestellt wird: Man erkennt, dass sich die Oberflächenstruktur der Prägeplatte 40 auf der Oberfläche 52 der Sintermetallfolie 38 abbildet. In Figur 7 ist ein Rohling 42 gezeigt, der mit einer anders strukturierten Prägeplatte 40 hergestellt wurde und dessen Oberfläche 52 ein entsprechend eingeprägtes Muster 54 aufweist.
Wie bereits vorstehend erwähnt, kann die mechanische Stabilität der Folie über geeignete Geometrien verbessert werden. So ist bspw. eine Sintermetallfolie mit hoher Oberfläche bei gleichzeitig hoher mechanischer Stabilität über die im folgenden beschriebene Herstellung einer „Waffeleisenstruktur" herstellbar.
Zunächst wird Sintermetallpulver 26 mit einer Körnung von ungefähr 50 - 60 μm, vorzugsweise 53 μm, mit ungefähr 2-8 Gew.-% Acrylatbinder sowie einem leichtflüchtigen organischen Lösemittel, bspw. Butylacetat oder Alkohol 30 mittels einer Einrichtung 32 zu einem rakelfähigen Schlicker 34 verarbeitet. Dieser wird mit einem Filmrakelgerät 36 zu einer 100 - 500 μm, vorzugsweise > 450 μm dicken Sintermetall-Grünfolie 38 verarbeitet. Diese Folie wird anschließend, bspw. mittels der in Fig. 8 gezeigten Prägeplatten 56 strukturiert. Hierzu wird das Werkzeug auf eine Temperatur von ca. 8O0C erwärmt, die Grünfolie 38 eingelegt und das Werkzeug unter Druck geschlossen. Nach dem öffnen des Werkzeugs wird die Grünfolie 38 wieder entnommen und hat nun die Struktur der Prägeplatten angenommen. In einem Ofen 44 wird der Rohling anschließend gesintert, wobei die Geometrie der dreidimensional strukturierten Folie 38 vollständig erhalten bleibt. Möglich ist bei bei diesem Werkzeug auch, das Sintermetallpulver an Stelle einer definierten Folie 38 auch in anderen Geometrien (Tabletten, grob abgeteilte Platten, Fladen, etc) in Form einer thermoplastischer Verbindung 58 einzusetzen (vgl. Fig. 8). Das folgende Beispiel zeigt die Herstellung von Sintermetallfolien mit hoher Oberfläche durch die Verwendung gradierter Grünfolien bzw. Multilayerfolien.
Zunächst wird Sintermetallpulver 26 mit einer Körnung von zum Beispiel 50μm, mit ungefähr 2-8 Gew.-% Acrylatbinder sowie einem leichtflüchtigen organischen Lösemittel, bspw. Butylacetat oder Alkohol 30 mittels einer Einrichtung 32 zu einem rakelfähigen Schlicker 34 verarbeitet. Dieser wird mit einem Filmrakelgerät 36 zu einer 100 - 500 μm, vorzugsweise < 200μm dicken Sintermetall-Grünfolie 38 verarbeitet. Genauso wird mit Pulver, beispielweise der Körnung 30μm und 80μm, verfahren.
Weitere Grünfolien- Varianten sind Folienzusammensetzungen mit höherem Organikanteil (z.B. 6-20 Gew.%-Λcrylbinder), oder Folien mit porenbildenen Zusätzen, die sich im Sinterprozeß vollständig verflüchtigen. Folien mit unterschiedlichen Schichtdicken stellen ebenfalls mögliche Varianten dar, wie das Einsetzen von definierten Pulvermischungen (enge monomodale, bi- oder trimodale Korngrößenverteilungen) oder verschiedenen Pulvertypen (z.B. sphärische, runde Pulvertypen, unregelmäßig tropfenförmige Pulvertypen, flakeartige Pulvertypen, etc.) bei der Folienherstellung.
Diese Folienvarianten 38 können in unterschiedlicher Weise miteinander zu Multilayergrünfolien 39 kombiniert werden. Durch geeignete Sinterprofile können so gezielt die Porosität und die Oberflächeneigenschaften der gesinterten Filterfolien 46 eingestellt bzw. definiert werden. So kann bspw. durch Laminieren verschiedener Folienvarianten nach dem Sintern eine Filterfolie mit einer grobporigen und einer feinporigen Seite erzielt werden, oder es wird bei Verwendung von Folien unterschiedlicher Gründichte nach dem Sintern eine Filterfolie mit sehr starker Oberflächenrauhigkeit erhalten, da die Seite mit der geringeren Gründichte beim Sintern inhomogen schrumpft, und sich poröse Oberflächenstrukturen ausbilden. In beiden Fällen erhält man Sintermetallfilter mit gradierter Porosität und hoher Oberfläche.
Die vorstehend erwähnten, durch Zusammenlaminieren von Einzelfolien 38 hergestellten Multilayergrünfolien 39 werden wie die Grünfolien 38 verarbeitet und können bei Bedarf, wie auch die Folien 38 selbst, auf ein Stützgerüst wie z.B. ein Streckmetall 62 auflaminiert werden und/oder zusätzlich mechanisch durch Prägen strukturiert werden.
Die Fig. 9 zeigt verschiedene Möglichkeiten der Ausgestaltung von Multilyergrünfolien 39. In Fig. 9A ist ein Dreifachlaminat 60 aus drei gleichartigen Grünfolien 38 mit auflaminiertem Streckmetall 62 als Stützstruktur dargestellt. Fig. 9B zeigt ein Zweifachlaminat 64 aus zwei verschiedenen Grünfolien 38 mit jeweils einem feinen und einem groben Pulver (66, 68). Die Oberfläche der Folie mit grobem Pulver 68 wird noch zusätzlich durch Prägen strukturiert, um die Filteroberfläche zu erhöhen. Fig. 9C zeigt eine Grünfolie mit sogenannter „Waffelstruktur", hergestellt unter Verwendung einer Multilayergrünfolie 39 bestehend aus drei Lagen (70, 72, 74) mit unterschiedlicher Pulverfüllung, und Fig. 9D zeigt schließlich ein Zweifachlaminat 76 aus zwei verschiedenen Grünfolien 78, 80, wobei eine Folie hochgefüllt ist, und die andere einen niedrigeren Füllgrad an Metallpulver aufweist und ggf. auch noch porenbildende Additive enthält. In Fig. 9D ist wiederum ein auflaminiertes Streckmetall 62 dargestellt

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Herstellen mindestens eines Bereichs (22) einer Filterstruktur (18), insbesondere für einen Partikelfilter ( 14) im Λbgassystem (12) einer
Brennkraftmaschine (10), dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Schritte umfasst:
a. Herstellen (32) eines Gemisches (34) aus einem Sintermetallpulver (26) und einem organischen Binder (28);
b. Herstellen (36) einer Folie (38) aus dem Gemisch (34) ;
c. Strukturieren (40) der Folie (38); und
d. Sintern (44) .
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den zusätzlichen Schritt des Herstellens von Multilayergrünfolien (39) aus den in Schritt b) hergestellten Folien (38) vor dem Strukturierschritt c) und Strukturieren der so hergestellten Multilayergrünfolien (39).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Folien (38) und/oder die Multilayergrünolien (39) einen Gradienten bzgl. der Pulvergrößenverteilung und/oder der Dichteverteilung des Sintermetallpulvers (26) aufweisen.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt b die Folie (38) durch Folienrakeln (36), Foliengießen, oder Folienextrusion hergestellt wird.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturieren (40) im Schritt c bei einer Temperatur im Bereich von 80 bis 15O0C, vorzugsweise im Bereich von 80 bis 9O0C, erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturieren (40) im Schritt c mittels Prägen erreicht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Prägen Prägeplatten und/oder strukturierte Laminierwalzen verwendet werden, deren Oberflächenstruktur auf der Folie (38) oder der Multilayergrünfolie (39) abgebildet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sintermetallpulver (26) mit einer Körnung von ungefähr 1 bis 150 μm, bevorzugt 40 bis
70 μm, noch mehr bevorzugt 50 bis 60 μm verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt a das Sintermetallpulver (26) mit ungefähr 2-8 Gew.-% Acrylatbinder (28) und einem leichtflüchtigen organischen Lösemittel (30) zu einem rakelfähigen Schlicker (34) verarbeitet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das leichtflüchtige organische Lösemittel Butylacetat oder Alkohol ist.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadaurch gekennzeichnet, dass eine beidseitige Strukturierung (40) der Folie (38) oder der Multilayergrünfolie (39) erfolgt.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Folie (38) oder der Multilayergrünfolie (39) eine beidseitige Waffelstruktur aufgegeben wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (38) oder die Multilayergrünfolie (39) zusätzlich mit einer Stützstruktur (62) verbunden ist.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Stützstruktur (62) ein metallisches Gewebe, ein Streckmetall oder ein Lochblech verwendet wird.
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