WO2020260158A1 - Temperaturwechselbeständiges bauelement für anwendungen mit hoher thermomechanischen belastung sowie verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Temperaturwechselbeständiges bauelement für anwendungen mit hoher thermomechanischen belastung sowie verfahren zu seiner herstellung Download PDF

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WO2020260158A1
WO2020260158A1 PCT/EP2020/067179 EP2020067179W WO2020260158A1 WO 2020260158 A1 WO2020260158 A1 WO 2020260158A1 EP 2020067179 W EP2020067179 W EP 2020067179W WO 2020260158 A1 WO2020260158 A1 WO 2020260158A1
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cage
shaped elements
elements
component
shaped
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PCT/EP2020/067179
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Inventor
Alexander Füssel
Uwe Scheithauer
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D5/00—Supports, screens, or the like for the charge within the furnace
    • F27D5/0006—Composite supporting structures
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
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    • B01D39/06—Inorganic material, e.g. asbestos fibres, glass beads or fibres
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28B1/00—Producing shaped prefabricated articles from the material
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    • B28B7/34—Moulds, cores, or mandrels of special material, e.g. destructible materials
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B33Y40/00—Auxiliary operations or equipment, e.g. for material handling
    • B33Y40/20—Post-treatment, e.g. curing, coating or polishing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
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    • F27B9/14—Furnaces through which the charge is moved mechanically, e.g. of tunnel type; Similar furnaces in which the charge moves by gravity characterised by the path of the charge during treatment; characterised by the means by which the charge is moved during treatment
    • F27B9/20—Furnaces through which the charge is moved mechanically, e.g. of tunnel type; Similar furnaces in which the charge moves by gravity characterised by the path of the charge during treatment; characterised by the means by which the charge is moved during treatment the charge moving in a substantially straight path tunnel furnace
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    • B01D2239/12—Special parameters characterising the filtering material
    • B01D2239/1241—Particle diameter

Definitions

  • the invention relates to a temperature change-resistant component, in particular a burner, a solar absorber, a catalyst carrier, a kiln furniture medium, a conveyor belt for a continuous furnace, a spacer, equalizing element, a pore burner structure or a shrinkage mediator, which is arranged between a kiln furniture and fuel during sintering and a process for its manufacture.
  • a temperature change-resistant component in particular a burner, a solar absorber, a catalyst carrier, a kiln furniture medium, a conveyor belt for a continuous furnace, a spacer, equalizing element, a pore burner structure or a shrinkage mediator, which is arranged between a kiln furniture and fuel during sintering and a process for its manufacture.
  • porous components in the form of rigid grids, foams, nets or textile structures. Because of their structure, components of this type already have a greater tolerance to abrupt temperature changes than compact components of the same shape and size.
  • components designed in this way also fail, especially at high temperature differences.
  • the mechanical strength and resilience of metallic materials is generally used because ceramic materials are typically more temperature-resistant, but mechanically more susceptible and, in particular, when mechanical tensile stress is applied, they tend to crack or even break due to their lower ductility compared to metals . Since these disadvantages of ceramic materials have a great effect on long-term stability, metallic materials are still given before. However, the latter materials have the disadvantages of a lower maximum permissible operating temperature and lower chemical resistance.
  • Claim 7 defines a manufacturing process.
  • a component according to the invention is formed with cage-like elements which consist of a sinterable ceramic material and enclose a cavity.
  • the cage-like elements are intertwined and thus non-destructively inseparable, but without a joint and despite this not connected to one another in a materially bonded manner. Free spaces are present between cage-like elements, so that relative movements between cage-like elements arranged next to one another are possible. The possible relative movements are only limited by the geometric design and dimensioning of cage-like elements.
  • the cage-like elements can, for example, be square, cuboid, trapezoidal, prismatic or formed by complex polygons. In addition to cylindrical elements, conical or conical, spherical and ellipsoidal structures can also be used. For the sake of simplicity, they are referred to below as cage-like elements.
  • the cage-like elements can preferably frame, ring, cylinder or be spherical elements. You can create a flexible two- or three-dimensional network in this way. Each element consists of webs that can take up flexible geometric arrangements to each other and span at least one free volume as a cavity.
  • frame-shaped elements can form cuboid elements.
  • Cylinder-shaped elements can be formed with annular elements that are connected to each other with webs.
  • Spherical elements can be formed with a plurality of annular elements that have different diameters and the annular elements are connected by webs.
  • three-dimensional components can be made available. More than three cage-shaped elements can be intertwined and connected to one another. The free cross-section in the interior of cage-shaped elements or the inner diameter of ring-shaped elements should be selected in such a way that a relative movement of cage-shaped elements connected to one another by entanglement is possible. With interconnected frame-shaped elements, cuboid-shaped elements and with annular elements connected by means of webs, cylindrical elements can be formed.
  • the cage-shaped elements connected to one another can exert relative movements to one another.
  • the cage-shaped elements form a frame structure that allow relative movements in all three axial directions without articulated connections between cage-shaped elements, so that each cage-shaped element can be moved without an adjacent cage-shaped element necessarily having to be moved.
  • a segmentation of a component can be achieved, whereby a reduction in the effect of maximum mechanical stresses occurring as a result of temperature changes can be achieved.
  • a temperature gradient that is externally applied to the component is divided into several cage-shaped elements, so that the temperature difference per segment becomes smaller.
  • the maximum effective mechanical stress can be reduced so far that it does not exceed the strength of the material, since relative movements of cage-shaped elements can occur, with which different thermal expansions and thermomechanical stresses due to locally different temperatures that occur simultaneously on a component occur, can be compensated by these relative movements.
  • the loose connection of the cage-shaped elements consequently allows their stress-free displacement. The ends of the individual elements are therefore not firmly clamped, so that, among other things, they remain movable and can compensate for thermomechanical stresses.
  • Bars of the cage-like elements should enclose a cavity which makes up at least 60%, preferably 80% to 95% of the volume of the respective cage-like element (A, B).
  • an aspect ratio of length to diameter or length to cross-sectional area diagonal of at least 3 to 1, preferably 4 to 10 to 1, should be maintained in the case of a non-rotationally symmetrical web cross-section.
  • the first thermal shock parameter can be used for the design.
  • This describes the temperature gradient in a building that leads to critical stress. The heat transfer is assumed to be infinitely large, so the thermal conductivity of the material is neglected.
  • This parameter therefore primarily describes very abrupt heating or cooling processes, such as quenching hot components in water or oil. Such temperature gradients can also occur with burners that suddenly switch off in an emergency and must be cooled by a cold medium, for example with compressed air or stick material.
  • the permeability for fluids and the respective size of the surface of a component can be influenced.
  • the ratio of the length, width and height of the individual elements to the thickness of the webs from which the element is constructed determines the free volume fraction per cage-shaped element.
  • the number of webs of the adjacent cage-shaped elements that are guided through this volume determines the actual volume fraction that can be freely flowed through in the entire component.
  • a component can also be formed with cage-shaped elements (A, B) made of electrically conductive and electrically non-conductive ceramic material.
  • the combination of electrically conductive and non-conductive materials allows the production of flexible structures (eg a component in the form of a network) in which electrical conductor structures are installed. This enables flexible electrical contacting, since the electrical contacts in the transition from hot (eg> 500 ° C) and cold (eg room temperature) areas are often particularly affected by different thermal expansion behavior.
  • This type of components can be made with cage-shaped elements that are made of both electrically conductive and electrically non-conductive materials.
  • components with cage-shaped elements which each consist of electrically conductive or electrically non-conductive material can also be formed.
  • Cage-shaped elements are formed with at least one cavity angeord designated in their interior. How this can be achieved will be explained in the following for at least one way to produce inventive construction elements.
  • differently dimensioned and / or geometrically designed cage-shaped elements can be intertwined. This can influence the ultimate overall geometry of a component or different properties in certain areas of a component.
  • Frame-shaped and cylindrical / ring-shaped elements can also be present as cage-shaped elements on a component.
  • Frame-shaped elements can be polygonal, for example square and preferably rounded or beveled in corner areas, which can improve the mobility of the intertwined cage-shaped elements.
  • the procedure can be that cage-shaped elements are designed with an additive production process and subsequent sintering using at least one powdery sinterable ceramic material so that they are already intertwined during production and thus a connection of the so connected Cage-shaped elements is achieved, which allows relative movements between rule 3-dimensionally arranged cage-shaped elements. Cohesive connections between cage-shaped elements or webs, i.e. the sub-lattices of the structure, are avoided. With regard to the development of thermomechanical stresses, the cage-shaped elements are decoupled from one another, analogous to expansion joints.
  • SiC, Al 2 O 3 , ZrC> 2, S1 3 N 4 , cordierite or mullite can be used as the sinterable ceramic material.
  • an additive manufacturing process for example, a printing process, selective laser sintering, selective laser melting or also selective sintering or melting using a two-dimensional deflectable one can be used Use electron beam.
  • powdery sinterable material in the form of a suspension or paste, in which an organic or inorganic binder is contained can be printed in layers until a three-dimensional Vorpro product has been obtained that corresponds to the geometry of the respective construction elements.
  • the organic constituents can also be thermally decomposed or otherwise expelled in a manner known per se.
  • Another possibility for producing components according to the invention consists in producing a preliminary product from a thermally decomposable material using an additive production process.
  • cage-shaped elements that are gebil det with the thermally decomposable material and are intertwined are produced, from which the intermediate product is constructed.
  • the elements must not touch each other directly and must have a minimum distance from one another.
  • these cage-shaped elements of the preliminary product are coated on their surfaces with a powdery sinterable ceramic material.
  • This coating can be achieved by spraying on, brushing on a suspension formed with powdered sinterable ceramic material, or by dipping the intermediate product into a suspension.
  • the thermally decomposable material of the preliminary product can then be driven out of the semi-finished product thus created in at least one heat treatment and the powdery sinterable material can be sintered. Inside the webs of cage-shaped elements at least one cavity is formed.
  • the thermally decomposable material of the preliminary product fulfills the function of a placeholder for the formation of at least one cavity surrounded by webs.
  • the mass of a component can be reduced.
  • the reduction in the thermally inert mass not only improves the resistance to temperature changes, it also reduces the amount of energy required to heat the component to a certain temperature or can thus heat it evenly across the volume much faster. It is therefore also advantageous to use such hollow structures from an energetic point of view. Since the webs of the Vorpro product can be shaped variably, it is possible to make them round. Compared to a full web, a hollow web of the same mass has a higher specific mechanical strength.
  • the amount of shrinkage in each case in the course of the sintering process can be taken into account in advance and thus close manufacturing tolerances can be achieved.
  • the powder heap which is only loosely bound after the decomposition of the preliminary product at the end of the first heat treatment, to be infiltrated with a melt.
  • a melt of glass, metal or semi-metal, such as silicon.
  • the support structure which at the same time can represent the construction platform on which the cage-shaped elements are formed, can fulfill the task of separating the individual areas of the preliminary product during the coating and also during sintering and sintering the individual cage-shaped elements of the semi-finished product with one another to prevent.
  • This support structure can only be removed after sintering, which means that the individual cage-shaped elements retain their mobility.
  • the additive manufacturing process can be carried out on a carrier element and a semi-finished product manufactured therewith before or during a heat treatment with which sintering of the sinterable material is achieved lize.
  • the carrier element can therefore expediently be detached from the actual structure after the heat treatment step.
  • the component obtained as an open-pore element can consist of any number of cage-shaped elements that are connected to one another by being looped.
  • a component according to the invention can also be designed by selecting different cage-shaped elements and a selected arrangement of cage-shaped elements depending on the application.
  • cage-shaped elements can be obtained that do not have to be in direct contact with one another.
  • Cage-shaped elements can interlock and thus form a three-dimensional network that can be flexibly deformed within certain limits.
  • a semi-finished product or pre-product can be manufactured additively in such a way that no material contact occurs between cage-shaped elements during coating.
  • cage-shaped elements In order to avoid contact formation, in particular a material connection between cage-shaped elements, cage-shaped elements can be anchored to a carrier element with a carrier structure until they are completely sintered. As a result, a certain distance can be maintained between cage-shaped elements, with which a material connection can be avoided before or during sintering. After sintering, this support element with support structure can be removed and the cage-shaped elements intertwined with one another can then move freely within defined and adjustable geometric limits.
  • the mechanical decoupling that can be achieved in this way, without rigid connections between cage-shaped elements, enables mechanical and thermomechanical stresses to be minimized.
  • Sufficient thermal conductivity can be achieved by means of the contact points at which the cage-shaped elements rest loosely and touch one another there, so that a rapid adjustment of the temperature on a component according to the invention can be achieved.
  • Cage-shaped elements can also be present on a component according to the invention, each of which is made of different materials, so that different properties can be achieved on a component locally in structurally specifiable areas. This enables an optimal functional design to be achieved.
  • Cage-shaped elements can each be produced in one piece or monolithic and in particular without joints. They can form a grid-like structure.
  • a component according to the invention can be designed three-dimensionally depending on the desired application.
  • the size of the surface can be adjusted. If relevant for certain applications, it is possible, please include, to set variations of the damming effect of a fluid in different elements and / or areas of the component and thus to set the pressure loss or pressure increase locally and also a preferred flow guidance. In the case of a locally differentiated structure of a component with different cage-shaped elements, which in certain predeterminable areas Chen of a component are arranged, a certain flow guidance of a fluid when flowing through a component can be specified.
  • Carrier element with or without a construction platform no reworking, in particular no mechanical reworking required.
  • a component according to the invention can be used as a burner, in particular pores
  • a component according to the invention is a conveyor belt for a continuous furnace
  • the large-area linking of the structural elements that can be achieved allows a very high degree of flexibility to be assured even with very large temperature gradients.
  • the design of the structural elements can also be Aufla
  • Structure can be used to compensate for the possibly different thermal expansion of compact ceramic or metallic components in thermally stressed systems, so that a defined distance can always be maintained between them if a corresponding Ab
  • BO stand hold or compensation element is positioned in between.
  • the manufacture of the flexible ceramic grid allows the compensation of very different thermal expansion behavior, for example between objects made of AO 3 and SiC or between ceramics and metals, in particular steel.
  • a component can also be a modular pore burner structure.
  • the movement of the flexible grid of the cage-shaped elements allows a design change depending on the ambient conditions.
  • the counter-pressure behavior of a porous burner can be influenced in a targeted manner, in which the structure expands with a higher output and thus also a higher gas volume flow through a corresponding design of the individual elements and contracts again with lower output with a small volume flow. This ensures that the flame remains in the structure even at very high power levels and is not discharged from the porous body. In this way, the positive properties of the pore burner are retained over a larger modulation range.
  • changing the shape, geometry and thus also the cross-section through which the flow can flow allows a quasi-automatic process control when temperature changes occur.
  • Component which is formed with cuboid elements A and cylindrical elements B as cage-shaped elements, which are each intertwined, the vertical webs of the cylindrical Elemen te B extend between the cuboid elements A;
  • Figure 2 shows in schematic form an example of an inventive
  • Figure 4 shows in schematic form an example of an inventive
  • Component which is formed with only with only cylindrical elements B different Licher size B1 and B2 and have additional vertical webs C for stabilization, which are each intertwined and
  • Figure 5 shows in schematic form an example of an inventive
  • FIG. 2 Component analogous to FIG. 2, which is formed with cuboid and cylindrical elements which are each intertwined and the component is arranged on a carrier structure D.
  • Figure 1 shows a component that is formed with cuboid and cylindrical Elemen th A and B as cage-shaped elements that are each looped into one another.
  • a cylindrical element B with four frame-shaped elements A which have a square shape, entwined.
  • the vertical webs of the cylindrical elements B, the annular elements with which the cylindrical elements B are formed run exactly between the cuboid elements A and keep them at bay.
  • Figure 2 shows a component that is formed with cuboid and cylindrical Elemen th A and B, which are each intertwined.
  • a cylindrical element B is intertwined with four frame-shaped elements A, which have a square shape.
  • the vertical webs of the cylindrical elements B run in this case within the square elements A.
  • Figure 3 shows a component that is formed only with cuboid elements Al and A2, which are each intertwined.
  • FIG. 4 shows a component which is formed with annular elements B1 and B2 which are each intertwined.
  • the ring-shaped elements B1 and B2 have webs CI and C2 in their interior, which are each arranged vertically within an annular element B1 and B2 and which can increase the stability.
  • the ring-shaped elements B1 and B2 are each connected to vertical webs so that they form cylindrical elements.
  • Figure 5 shows a component which is formed with cuboid and cylindrical Elemen th A and B, as in the example of Figure 2, which are each intertwined. Cuboid and cylindrical elements A and B are connected to a support structure D.
  • such radiant bodies of radiant burners in which the combustion reaction takes place, can be produced by segmenting into individual, interconnected, but flexible, movable cage-shaped elements.
  • the elements of a radiant body can cope with the temperature gradients occurring during the ignition and modulating process significantly better than monolithic ceramic plates
  • a construction is first made, which shows the shape of the individual elements A and B and their later- re arrangement to each other defined.
  • This can consist of two cage-shaped element types A and B, for example.
  • the unit cell of the cuboid element A is a simple cube with bars with an edge length of 15 mm.
  • the unit cell of element B is a cylindrical volume body consisting of two ring-shaped elements with a diameter of 15 mm and four rotationally symmetrically arranged webs C with a length of 15 mm, which connect the two ring-shaped elements together to form a cylindrical element.
  • the cuboid and cylindrical elements A and B should in this case consist of two unit cells arranged one above the other, so that the respective radiant body consists of two levels in total.
  • the web thickness of all elements is defined as 2.5 mm and the outer diameter for rotationally symmetrical webs or the length of the surface diagonal for non-rotationally symmetrical webs as 2.5 mm.
  • Each element has additional webs C, which can connect it downwards to a support structure D in order to ensure the spacing of the individual elements A and B from one another. On this support structure D, the elements A are arranged at a distance of 5 mm from one another.
  • the middle longitudinal axis (central axis) through the annular elements B is arranged symmetrically at the point of intersection of the diagonals between the cuboid elements, which are formed with frame-shaped elements A (see FIG. 5).
  • the vertically extending webs C of the cuboid elements A penetrate the volume of the cylindrical elements B and thus link both structures.
  • the vertical webs D of the cylindrical elements B in turn run in the spaces between the cuboid elements A and thus define the minimum possible distance between the grid elements.
  • the cylindrical elements B are furthermore arranged by the support structure D in such a way that they are arranged higher by half a unit cell than the elements of type A (cf. FIG. 5).
  • the entire construction element should consist of a grid of 10 x 7 cuboid elements A and 9 x 6 cylindrical elements B and thus have an overall dimension of 200 mm x 140 mm.
  • the constructed structure is to be converted into a polymeric preliminary product (template) using 3D printing.
  • This polymeric preliminary product which can be manufactured from polyamide, for example by means of selective laser sintering, is then to be treated with a ceramic suspension of SiC particles after methods described above are coated.
  • the water-based suspension can for example have sinterable SiC particles in the form of a bimodal mixture, the mean particle size of which is between 0.01 ⁇ m and 50 ⁇ m.
  • this suspension can also contain organic and / or organic additives for setting a suitable flow and wetting behavior, as well as auxiliaries for setting the sintering behavior.
  • a silicon carbide suspension contains, for example, a bimodal SiC particle size distribution, produced by mixing SiC powders with mean particle sizes dso of 2 ⁇ m and 25 ⁇ m in a ratio of 60% to 40%; also 0.7% boron carbide and 12% of a water-soluble polysaccharide (corresponds to 2.5% carbon after pyrolysis) as a sintering additive.
  • the percentages should generally be% by mass.
  • the flow behavior of the suspension should be adjusted so that all surface areas of the printed preproduct to be coated can be wetted with suspension. For this purpose, a solids content of approx. 87% by mass based on the total mass of the suspension is set.
  • the coating itself can be done by means of an immersion process, in which the previously printed grid-shaped preliminary product is immersed in a suspension reservoir and removed again after a defined dwell time. After the impregnation process, excess suspension can be removed by shaking or centrifuging, the choice of process parameters determining the layer thickness of the coating. It is important to ensure that the individual elements A and B are not connected to one another by suspension films or droplets.
  • the coating parameters must be set in such a way that there is as even a web coating as possible in the entire component.
  • the thickness of the coating should be between 50 ⁇ m and 750 ⁇ m, preferably between 120 ⁇ m and 500 ⁇ m. It is possible to achieve the thickness of the coating by multiple successive dipping processes with intermediate drying times. After a final drying process at 60 ° C to 80 ° C over a period of 1 hour to 8 hours, there is a high-temperature heat treatment that begins with the thermal decomposition or melting of the printed, polymeric preproduct structure. The temperature for this process step is to be chosen so that a complete removal of the preliminary product by melting or thermal decomposition is possible before the densification process by sintering begins.
  • this temperature can be up to 1200 ° C.
  • the decomposition or melting of the core element material with which the intermediate product has been produced can, at best, be carried out under an inert gas atmosphere.
  • the molded semi-finished product can be converted into a ceramic component with elements A and B that are geometrically connected but separated in terms of material by sintering.
  • the remaining SiC powder framework is sintered in an argon atmosphere at a temperature between 2000 ° C and 2200 ° C.
  • the linear shrinkage of the structure can be between 3% and 20% and is determined by the choice of the starting powder ratio, the sintering temperature and the type and amount of additives added.
  • the carrier structure D After the sintering process is complete, the carrier structure D must be removed mechanically. This gives the individual cage-shaped elements A and B their mobility within the previously defined geometric limits.
  • the flexible grid structure can now be integrated into a frame structure for radiation burners. It is advisable to firmly integrate only a few elements of the edge areas and to allow the others to move in order to minimize mechanical stresses.
  • a second application example are jet burners, such as those used in tempering processes in the glass and steel industry. They are used, for example, to heat semi-finished products for their subsequent forming. By injecting hot combustion gases, a better circulation of the furnace atmosphere can be achieved, which leads to a more even and faster heating of the material to be fired.
  • the burner nozzles of these jet burners mostly consist of silicon-infiltrated silicon carbide.
  • porous flame holders can be built into the combustion chamber of the silicon cabrid tubes, which then function as a kind of pore burner.
  • monolithic porous flame holder structures made of high-temperature materials, such as For example, silicon carbide can no longer be used because they cannot withstand the sudden load in pulsating operation.
  • a burner component made of a flexible ceramic network is able to withstand the high mechanical loads caused by the sudden spread of the ignited combustion gases, as well as the thermal mechanical stresses caused by the temperature gradients.
  • the burner nozzles are preferably round. According to the invention, an optimal structural solution can also be found for this, which enables maximum stability of the structure as a whole or its individual elements.
  • the manufacturing process from construction to printing to coating, heat treatment and subsequent removal of the support structure D is equivalent to example 1.
  • the webs C of the elements A and / or B can be made thicker. It is also possible to make all or individual elements A and / or B structurally particularly insensitive to mechanical load peaks by, for example, not having any sharp edges.
  • such a structure can be constructed from spherical elements, which in turn consist of three annular webs.
  • Kiln furniture and sintering supports are required in the ceramic industry in a variety of forms. Their task is the stable storage of the items to be fired throughout the entire heat treatment process. From an energetic point of view, it is useful if these kiln furniture can withstand high heating and cooling rates and, moreover, are as light as possible so that as little mass as possible has to be heated in addition to the actual items to be fired. Since many ceramic products undergo shrinkage during sintering, shrinking substrates are of great interest. According to the present invention, kiln furniture can be made of various materials that are particularly light due to their network-like structure. The mobility of the individual cage-shaped elements makes it possible to compensate for the shrinkage of the items to be fired or at least to reduce the hindering shrinkage that usually occurs.
  • such kiln furniture can be made from cordierite.
  • cordierite chamotte can be mixed with ball clay, soapstone and aluminum oxide in a ratio of approx. 60: 20: 15: 5.
  • the powdery starting materials with an average particle size d50 of approx. 20 ⁇ m are mixed with water and processed into a flowable suspension with approx. 80% to 85% solids content.
  • the flow behavior can be significantly influenced by the grain size of the cordierite chamotte.
  • a preproduct provided with a printed carrier structure is coated, which according to the task can also be made from a coherent basic grid into which flexible individual elements are introduced as a second grid. The material is fired at a heat treatment of approx.
  • the remaining coherent lower grid takes on the function of load absorption and transmission to the supports of the furnace structure.
  • the arbitrarily designed smaller elements which are made up of at least one element cell, form the second level on which the items to be fired can be placed.
  • Such a kiln furniture can, for example, have a square Grundgit ter with 460 mm edge length, the individual cage-shaped elements have approximately 20 mm edge length.
  • mutually independent elements A with an edge length of, for example, 20 mm to 50 mm can be fitted into this grid. These form the actual contact surface for the items to be fired.
  • elements A can also be closed on one side with a flat plate on the top.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein temperaturwechselbeständiges Bauelement, insbesondere ein Brenner, ein Solarabsorber, ein Katalysatorträger, ein Brennhilfsmittel, ein Schwindungsvermittler, ein Transportband für einen Durchlaufofen, ein Abstandshalter, ein Ausgleichselement oder eine Porenbrennerstruktur, das während des Betriebs Temperaturwechselbeanspruchungen ausgesetzt ist. Dabei treten lokal Temperaturdifferenzen von mindestens 100 K auf. Das dreidimensionale Bauelement ist mit käfigförmigen Elementen (A, B), die einen inneren Hohlraum umschließen, gebildet, die aus einem sinterbaren keramischen Werkstoff bestehen. Die einzelnen käfigförmigen Elemente (A, B) sind nicht stoffschlüssig oder mittels Gelenken verbunden, sondern sie sind formschlüssig und ineinander verschlungen und nicht zerstörungsfrei lösbar, so dass Relativbewegungen zwischen nebeneinander angeordneten käfigförmigen Elementen (A, B) möglich sind.

Description

Temperaturwechselbeständiges Bauelement für Anwendungen mit hoher thermomechanischen Belastung sowie Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung betrifft ein temperaturwechselbeständiges Bauelement, insbe- sondere ein Brenner, ein Solarabsorber, ein Katalysatorträger, ein Brennhilfs mittel, ein Transportband für einen Durchlaufofen, ein Abstandshalter, Aus gleichselement, eine Porenbrennerstruktur oder ein Schwindungsvermittler, der zwischen einem Brennhilfsmittel und Brenngut beim Sintern angeordnet werden kann, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Bauelemente, die in ihrem Einsatz starken Temperaturschwankungen beim Erreichen der Betriebstemperatur oder während des Betriebes ausgesetzt sind, müssen hohe Temperaturwechselbeanspruchungen und - häufig damit einhergehend - hohe lokale Temperaturdifferenzen innerhalb eines Bauele- mentes von mindestens 100 K ertragen und sind somit während des Einsatzes oder im Bereich des Aufheizens und Abkühlens hohen mechanischen, thermi schen und in vielen Fällen auch chemischen Beanspruchungen unterzogen. Infolge der dabei wirkenden hohen reinen mechanischen und thermomecha nischen Spannungen werden Bauelemente oder Komponenten von Maschi- nen, Aggregaten oder Anlagen stark beansprucht, so dass Rissbildungen oder andere Defekte nicht vermieden werden können und die nutzbare Lebens dauer verkürzt ist.
Relevant für das mechanische Verhalten eines Bauelementes unter dem Ein fluss von Temperaturgradienten sind dessen Wärmeleitfähigkeit, sein spezifi sches Temperaturdehnungsverhalten und der E-Modul. Je geringer der Wär meausdehnungskoeffizient und je höher die Wärmeleitfähigkeit, desto gerin ger sind die Spannungen, die sich infolge eines aufgeprägten Temperaturgra dienten innerhalb eines Bauteiles aufbauen können. Die entstehenden Span nungen innerhalb eines Bauelementes hängen überdies zum einen von den Dimensionen des Bauelementes selbst und dabei insbesondere vom Verhält nis der Länge und Breite zur Dicke, aber auch von den äußeren Rahmenbedin gungen ab, die bestimmen, ob sich das Bauelement frei bewegen kann oder fest eingespannt ist. Die Bereiche des Bauelementes mit höherer Temperatur sind bestrebt sich entsprechend stärker auszudehnen als solche, die eine niedrigere Temperatur aufweisen. Dadurch entstehen in heißeren Zonen Druckspannungen, die ihrerseits Zugspannungen in den kälteren Bereichen bewirken. Überschreiten die erzeugten Zug- und Druckspannungen die Festig keit des Werkstoffes werden diese durch plastische Verformung oder Rissbil dung und/oder Bruch abgebaut.
Bei vielen Anwendungsfällen ist auch eine Durchlässigkeit für Fluide und/oder eine vergrößerte Oberfläche gewünscht. Dazu ist es bekannt poröse Bauele mente in Form von starren Gittern, Schäumen, Netzen oder textilen Gebilden einzusetzen. Aufgrund ihrer Struktur weisen derartige Bauelemente bereits eine größere Toleranz gegenüber schroffen Temperaturwechseln auf, als kompakte Bauelemente gleicher Form und Größe.
Es versagen aber auch so ausgebildete Bauelemente, insbesondere bei hohen Temperaturdifferenzen. Die mechanische Festigkeit und Widerstandsfähigkeit von metallischen Werkstoffen wird dabei in der Regel genutzt, da keramische Werkstoffe typischerweise zwar temperaturresistenter, aber mechanisch er heblich anfälliger sind und insbesondere bei wirkenden mechanischen Zug spannungen wegen der geringeren Duktilität im Vergleich zu Metallen zur Rissbildung oder sogar zum Bruch neigen. Da diese Nachteile keramischer Werkstoffe eine große Wirkung auf die Lang zeitstabilität ausüben, werden nach wie vor metallische Werkstoffe bevor zugt. Letztgenannte Werkstoffe weisen aber die Nachteile einer geringeren maximal zulässigen Betriebstemperatur und eine geringere chemische Be ständigkeit auf.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Bauelemente aus keramischen Werkstof fen zur Verfügung zu stellen, die den Nachteil der geringeren Duktilität ge genüber den Metallen bedingt durch ihre strukturelle Gestaltung ausgleichen und somit einen größeren Widerstand gegenüber Rissbildungen oder Bruch bei an einem Bauteil wirkenden thermomechanische Wechselbeanspruchun gen leisten können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit Bauelementen, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweisen, gelöst. Anspruch 7 definiert ein Herstellungsver fahren. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen reali siert werden.
Ein erfindungsgemäßes Bauelement ist mit käfigartigen Elementen, die aus einem sinterfähigen keramischen Werkstoff bestehen und einen Hohlraum umschließen, gebildet. Die käfigartigen Elemente sind ineinander verschlun gen und dadurch zerstörungsfrei untrennbar aber ohne Fügestelle und trotz dem nicht stoffschlüssig miteinander verbunden. Zwischen käfigartigen Ele menten sind Freiräume vorhanden, so dass Relativbewegungen zwischen be nachbart angeordneten käfigartigen Elementen möglich sind. Die möglichen Relativbewegungen sind lediglich durch die geometrische Gestaltung und Di mensionierung käfigartiger Elemente begrenzt. Die käfigartigen Elemente können dabei zum Beispiel quadratisch, quaderförmig, trapezartig, prisma tisch oder durch komplexe Vielecke gebildet werden. Neben zylinderförmigen Elementen können auch konische oder kegelförmige, Kugeln sowie ellipsoi- disch geformte Strukturen genutzt werden. Zur Vereinfachung werden sie nachfolgend als käfigartige Elemente bezeichnet.
Die käfigartigen Elemente können bevorzugt rahmen-, ring-, Zylinder- oder kugelförmigen Elemente sein. Sie können auf diese Weise ein flexibles zwei- oder dreidimensionales Netzwerk bilden. Jedes Element für sich besteht aus Stegen, die flexible geometrische Anordnungen zueinander einnehmen kön nen und mindestens ein freies Volumen als Hohlraum umspannen.
Bei einem erfindungsgemäßen Bauelement können mehrere miteinander ver bundene rahmenförmige Elemente quaderförmige Elemente bilden. Zylinder förmige Elemente können mit ringförmigen Elementen, die mit Stegen mitei nander verbunden sind, gebildet werden. Kugelförmige Elemente können mit mehreren ringförmigen Elementen, die unterschiedliche Durchmesser aufwei sen und die ringförmigen Elemente mit Stegen verbunden sind, ausgebildet werden.
Je nach Anzahl, Anordnung und Art der Verbindungen können dreidimensio nale Bauelemente zur Verfügung gestellt werden. So können jeweils mehr als drei käfigförmige Elemente ineinander verschlungen und dabei miteinander verbunden sein. Dabei sollte der freie Querschnitt im Inneren käfigförmiger Elemente oder der Innendurchmesser ringförmiger Elemente so gewählt sein, dass eine Relativbewegung von durch Verschlingung miteinander verbunde nen käfigförmigen Elementen möglich ist. Mit miteinander verbundenen rah menförmigen Elementen können quaderförmige Elemente und mit mittels Stegen verbundenen ringförmigen Elementen können zylinderförmige Ele mente gebildet werden.
Je nach Dicke von Rahmen oder Zylindern/Ringen und dem freien Querschnitt von Rahmen oder dem Innendurchmesser von Zylindern/Ringen können die so miteinander verbundenen käfigförmigen Elemente Relativbewegungen zueinander ausüben. Die käfigförmigen Elemente bilden eine Rahmenstruktur, die Relativbewegungen in alle drei Achsrichtungen ohne gelenkige Verbindun gen zwischen käfigförmigen Elementen erlauben, so dass jedes käfigförmige Element bewegt werden kann, ohne dass ein benachbartes käfigförmiges Element zwingend mit bewegt werden muss. Es gibt keine direkten miteinan der fest verbundenen Kontaktflächen. Käfigförmige Elemente durchdringen einander, so dass ein Formschluss erreicht werden kann.
Dadurch und durch eine entsprechende Dimensionierung der käfigförmigen Elemente kann eine Segmentierung eines Bauelementes erreicht werden, wodurch eine Reduzierung der Wirkung von maximalen infolge von Tempera turänderungen auftretenden mechanischen Spannungen erreicht werden kann. So wird ein äußerlich auf das Bauteil aufgeprägter Temperaturgradient auf mehrere käfigförmige Elemente aufgeteilt, so dass die Temperaturdiffe renz je Segment kleiner wird. Auf diese Weise kann die maximal wirkende mechanische Spannung so weit herabgesenkt werden, dass sie die Festigkeit des Materials nicht überschreitet, da Relativbewegungen käfigförmiger Ele mente erfolgen können, mit denen unterschiedliche thermische Ausdehnun gen und thermomechanische Spannungen infolge lokal unterschiedlicher Temperaturen, die gleichzeitig an einem Bauteil auftreten, durch diese Rela tivbewegungen kompensiert werden können. Die lose Verknüpfung der käfig förmigen Elemente erlaubt folglich deren spannungsfreie Verschiebung. Die Enden der einzelnen Elemente sind somit nicht fest eingespannt, so dass sie u.a. auch bei wirkenden thermomechanischen Spannungen beweglich bleiben und diese ausgleichen können.
Außer an Knotenpunkten, an denen Stege Zusammentreffen, gibt es keine strukturbedingten Werkstoffansammlungen, die zu einer Hot-Spot-Bildung führen könnten.
Stege der käfigartigen Elemente sollten einen Hohlraum umschließen, der mindestens 60 %, bevorzugt 80 % bis 95 % des Volumens des jeweiligen käfig artigen Elements (A, B) ausmacht.
An Stegen käfigförmiger Elemente sollte ein Aspektverhältnis Länge zu Durchmesser oder Länge zu Querschnittsflächendiagonale, bei einem nichtro tationssymmetrischen Stegquerschnitt, von mindestens 3 zu 1, bevorzugt von 4 bis 10 zu 1 eingehalten sein. Dadurch kann die Relativbewegung der käfig förmigen Elemente untereinander gewährleistet werden, ohne dass es im Zuge des Herstellungsprozesses zu einem ungewollten stoffschlüssigen Kon takt zwischen den käfigförmigen Elementen kommt.
Es besteht demnach eine konstruktive Möglichkeit, die auftretenden ther momechanischen Spannungen auf ein dauerhaft ertragbares Maß zu senken. Zur Auslegung kann beispielsweise der erste Thermoschockparameter (Rs) genutzt werden. Dieser beschreibt den Temperaturgradienten in einem Bau teil, der zu einer kritischen Spannung führt. Dabei wird der Wärmeübergang als unendlich groß angenommen, die Wärmeleitfähigkeit des Materials also vernachlässigt. Dieser Parameter beschreibt daher vor allem sehr schroffe Aufheiz- oder Abkühlvorgänge, wie beispielsweise das Abschrecken von hei ßen Bauteilen in Wasser oder Öl. Derartige Temperaturgradienten können aber auch bei Brennern auftreten, die bei einem Notaus schlagartig abge schaltet und durch ein kaltes Medium, zum Beispiel mit Druckluft oder Stick stoff gekühlt werden müssen.
Mit den erwähnten Parametern Dicke von Stegen, Innendurchmesser und freien Querschnitten von käfigförmigen Elementen kann auch die Durchlässig keit für Fluide und die jeweilige Größe der Oberfläche eines Bauelements be einflusst werden. Das Verhältnis der Einzelelementlänge, -breite und -höhe zur Dicke der Stege, aus denen das Element ausgebaut ist, bestimmt demnach den freien Volumenanteil je käfigförmigem Element. Je nach konstruktiver Lösung bestimmt die Anzahl der durch dieses Volumen geführten Stege der benachbarten käfigförmigen Elemente den tatsächlichen frei durchströmba- ren Volumenanteil im gesamten Bauelement.
Ein Bauelement kann auch mit käfigförmigen Elementen (A, B) aus elektrisch leitendem und elektrisch nicht leitendem keramischen Werkstoff gebildet sein. Die Kombination elektrisch leitfähiger und nicht-leitender Werkstoffe erlaubt die Herstellung flexibler Strukturen (z.B. ein Bauteil in Gestalt eines Netzes) in dem elektrische Leiterstrukturen eingebaut sind. Damit kann eine flexible elektrische Kontaktierung ermöglicht werden, da die elektrischen Kon takte im Übergang von heißen (z.B. > 500 °C) und kalten (z.B. Raumtempera tur) Bereichen häufig besonders stark durch unterschiedliche thermische Dehnungsverhalten betroffen sind. Diese Art von Bauelementen kann mit kä figförmigen Elementen, die sowohl aus elektrisch leitendem, als auch elektrisch nicht leitenden Werkstoffen gebildet sind, hergestellt werden. Es können aber auch Bauelemente mit käfigförmigen Elementen die jeweils al lein aus elektrisch leitendem oder elektrisch nicht leitendem Werkstoff beste hen, ausgebildet werden. Käfigförmige Elemente sind mit mindestens einem in ihrem Inneren angeord neten Hohlraum ausgebildet. Wie dies erreicht werden kann, soll nachfolgend bei mindestens einer Möglichkeit zur Herstellung erfindungsgemäßer Bau elemente erläutert werden.
Bei einem erfindungsgemäßen Bauelement können unterschiedlich dimensio nierte und/oder geometrisch gestaltete käfigförmige Elemente ineinander verschlungen sein. Dadurch kann Einfluss auf die letztendliche Gesamtgeo metrie eines Bauelements oder unterschiedliche Eigenschaften in bestimmten Bereichen eines Bauelements genommen werden.
Es können auch rahmen- und zylinderförmige/ringförmige Elemente als käfig förmige Elemente an einem Bauelement vorhanden sein. Rahmenförmige Elemente können mehreckig, beispielsweise quadratisch und bevorzugt in Eckbereichen abgerundet oder abgeschrägt ausgebildet sein, was die Beweg lichkeit der ineinander verschlungenen käfigförmigen Elemente verbessern kann.
Bei der Herstellung kann so vorgegangen werden, dass käfigförmige Elemente mit einem additiven Herstellungsverfahren und anschließender Sinterung un ter Einsatz mindestens eines pulverförmigen sinterfähigen keramischen Werk stoffs so ausgebildet werden, dass sie bereits bei der Herstellung ineinander verschlungen werden und so eine Verbindung der so miteinander verbunde nen käfigförmigen Elemente erreicht wird, welche Relativbewegungen zwi schen 3-dimensional angeordneten käfigförmigen Elementen ermöglicht. Stoffschlüssige Verbindungen zwischen käfigförmigen Elementen oder auch Stegen, also den Untergittern der Struktur, werden dabei vermieden. In Bezug auf die Ausbildung thermomechanischer Spannungen sind die käfigförmigen Elemente analog zu Dehnfugen voneinander entkoppelt.
Als sinterbaren keramischen Werkstoff kann man beispielsweise SiC, AI2O3, ZrC>2, S13N4, Cordierit, oder Mullit einsetzen.
Als additives Herstellungsverfahren kann man beispielsweise ein Druckverfah ren, selektives Lasersintern, selektives Laserschmelzen oder auch ein selekti ves Sintern oder Schmelzen unter Einsatz eines zweidimensional auslenkbaren Elektronenstrahls einsetzen.
Es besteht prinzipiell die Möglichkeit, käfigförmige Elemente mit einem Druckverfahren zu einem grünfesten Vorprodukt zu verarbeiten und das Vor produkt bei mindestens einer Wärmebehandlung dann zu sintern.
Bei Druckverfahren kann pulverförmiger sinterfähiger Werkstoff in Form einer Suspension oder Paste, in der ein organischer oder anorganischer Binder ent halten ist, schichtweise gedruckt werden, bis ein dreidimensionales Vorpro dukt erhalten worden ist, das der Geometrie des jeweils herzustellenden Bau elements entspricht.
Bei einer Wärmebehandlung kann dann nicht nur eine Sinterung erreicht werden. Es können auch die organischen Bestandteile thermisch zersetzt oder anderweitig auf an sich bekannte Weise ausgetrieben werden.
Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung erfindungsgemäßer Bauelemente besteht in der Herstellung eines Vorproduktes aus einem thermisch zersetz baren Werkstoff mit einem additiven Herstellungsverfahren. Dabei werden käfigförmige Elemente, die mit dem thermisch zersetzbaren Werkstoff gebil det und ineinander verschlungen sind, hergestellt, aus denen das Vorprodukt aufgebaut wird. Bei der Herstellung dürfen sich die Elemente jedoch nicht unmittelbar berühren und müssen einen Mindestabstand zueinander aufwei sen.
Anschließend werden diese käfigförmigen Elemente des Vorproduktes mit einem pulverförmigen sinterfähigen keramischen Werkstoff an ihren Oberflä chen beschichtet. Diese Beschichtung kann durch Aufsprühen, Aufstreichen einer Suspension, die mit pulverförmigem sinterfähigem keramischen Werk stoff gebildet ist, oder Eintauchen des Vorproduktes in eine Suspension er reicht werden.
Im Anschluss an diese Beschichtung kann bei dem so entstandenen Halbzeug dann bei mindestens einer Wärmebehandlung der thermisch zersetzbare Werkstoff des Vorproduktes ausgetrieben und der pulverförmige sinterfähige Werkstoff gesintert werden. Innerhalb der Stege käfigförmiger Elemente wird dabei mindestens ein Hohlraum ausgebildet. Der thermische zersetzbare Werkstoff des Vorproduktes erfüllt dabei die Funktion eines Platzhalters für die Ausbildung mindestens eines von Stegen umgebenden Hohlraumes.
Mit innen hohlen käfigförmigen Elementen kann die Masse eines Bauele ments reduziert werden. Die Verringerung der thermisch trägen Masse ver bessert nicht nur die Temperaturwechselbeständigkeit, sie verringert gleich sam die notwendige Energiemenge um das Bauelement auf eine bestimmte Temperatur zu erwärmen bzw. kann diese dadurch deutlich schneller gleich mäßig über das Volumen erwärmen. Damit ist es auch aus energetischer Sicht vorteilhaft derartige Hohlstrukturen zu verwenden. Da die Stege des Vorpro duktes variabel geformt sein können, ist es möglich, diese rund zu gestalten. Im Vergleich zu einem Vollsteg weist ein Hohlsteg gleicher Masse eine höhere spezifische mechanische Festigkeit auf.
Bei der Dimensionierung des Halbzeuges kann das Maß der jeweiligen Schwindung im Verlauf des Sinterprozesses vorab berücksichtigt und somit enge Fertigungstoleranzen erreicht werden.
Neben der Verdichtung der Pulverpartikel ist auch eine Infiltration des nach der Zersetzung des Vorproduktes am Ende der ersten Wärmebehandlung nur lose gebundenen Pulverhaufwerkes mit einer Schmelze möglich. Dies könnte eine Schmelze aus Glas, Metall oder Halbmetall, wie beispielsweise Silicium sein.
Die Trägerstruktur, die gleichzeitig die Bauplattform, auf der die käfigförmigen Elemente ausgebildet werden, darstellen kann, kann die Aufgabe erfüllen, die einzelnen Bereiche des Vorproduktes während der Beschichtung und auch während der Sinterung zu trennen und eine Versinterung der einzelnen käfig förmigen Elemente des Halbzeuges miteinander zu verhindern. Erst nach der Sinterung kann diese Trägerstruktur entfernt werden, wodurch die einzelnen käfigförmigen Elemente ihre Beweglichkeit erhalten.
Das additive Herstellungsverfahren kann auf einem Trägerelement durchge führt und ein damit hergestelltes Halbzeug vor oder bei einer Wärmebehand lung, mit der eine Sinterung des sinterfähigen Werkstoffs erreicht wird, stabi- lisieren. Das Trägerelement kann daher zweckmäßiger Weise nach dem Wär mebehandlungsschritt von der eigentlichen Struktur gelöst werden.
Das als offenporiges Element erhaltene Bauelement kann aus einer beliebigen Anzahl käfigförmiger Elemente bestehen, die durch Verschlingung miteinan der verbunden sind. Wie bereits angedeutet, kann ein erfindungsgemäßes Bauelement durch Auswahl auch unterschiedlicher käfigförmiger Elemente und gewählter Anordnung von käfigförmigen Elementen je nach Applikation gestaltet werden.
Durch die additive Herstellung, insbesondere durch dreidimensionales Dru cken, können käfigförmige Elemente erhalten werden, die sich untereinander nicht unmittelbar berühren müssen.
Käfigförmige Elemente können ineinander greifen und so ein dreidimensiona les, in gewissen Grenzen flexibel verformbares Netzwerk bilden.
Ein Halbzeug oder Vorprodukt kann additiv so hergestellt werden, dass wäh rend einer Beschichtung kein Werkstoffkontakt zwischen käfigförmigen Ele menten auftritt.
Um eine Kontaktbildung, insbesondere eine stoffschlüssige Verbindung käfig förmiger Elemente zu vermeiden, können käfigförmige Elemente bis zur voll ständigen Sinterung auf einem ebenfalls additiv hergestellten Trägerelement mit einer Trägerstruktur verankert werden. Dadurch kann ein bestimmter Abstand zwischen käfigförmigen Elementen eingehalten werden, mit dem eine stoffschlüssige Verbindung vor oder während der Sinterung vermieden werden kann. Nach der Sinterung kann dieses Trägerelement mit Trägerstruk tur entfernt werden und die miteinander verschlungen käfigförmigen Elemen te können sich dann in definierten und einstellbaren geometrischen Grenzen frei bewegen.
Durch die so erreichbare mechanische Entkopplung, ohne starre Verbindun gen zwischen käfigförmigen Elementen können auftretende mechanische und thermomechanische Spannungen minimiert werden. Mittels der Kontaktstellen, an denen die käfigförmigen Elemente lose auflie gen und sich dort berühren, kann eine ausreichende thermische Leitfähigkeit erreicht werden, so dass eine schnelle Angleichung der Temperatur an einem erfindungsgemäßen Bauelement erreichbar ist.
Es können an einem erfindungsgemäßen Bauelement auch käfigförmige Ele mente vorhanden sein, die jeweils aus unterschiedlichen Werkstoffen beste hen, so dass an einem Bauelement lokal in konstruktiv vorgebbaren Bereichen unterschiedliche Eigenschaften erreicht werden können. Dadurch kann eine optimale Funktionsauslegung erreicht werden.
Käfigförmige Elemente können jeweils einstückig bzw. monolythisch und ins besondere ohne Fügestellen hergestellt worden sein. Sie können eine gitter förmige Struktur bilden.
Es besteht die Möglichkeit, je nach Anforderung, auch Gittersegmente zu er zeugen und diese mit anderen einzel- oder mehrzelligen Elementen zu ver binden. Auf diese Weise können rissanfällige Platten in zusammenhängende und doch flexibel verknüpfe Teilbereiche segmentiert werden. Da die einzel nen käfigförmigen Elemente des Bauelements sich in gewissen Grenzen in allen drei Raumrichtungen bewegen können, können mechanische Spannun gen durch die Behinderung der thermischen Dehnung infolge der Fixierung eines solchen Bauelementes in einer Halterung unterbunden werden. Dabei müssen nicht alle Bestandteile in Form eines Gitters ausgeführt werden. Stattdessen können auch einige Elemente als kompakte Monolithen mit äuße ren Schlaufen bzw. Verschlingungen erzeugt und auf diese Weise mit den git terähnlichen Elementen verbunden werden.
Ein erfindungsgemäßes Bauelement kann dreidimensional je nach gewünsch ter Applikation ausgebildet werden. Dabei kann die Größe der Oberfläche angepasst werden. Sofern für bestimmte Applikationen relevant, ist es mög lich, in verschiedenen Elementen und/oder Bereichen des Bauelementes Vari ationen der Stauwirkung eines Fluides einzustellen und damit lokal den Druckverlust bzw. Druckanstieg und auch eine bevorzugte Strömungsführung einzustellen. Bei lokal differenziertem Aufbau eines Bauelements mit unter schiedlichen käfigförmigen Elementen, die in bestimmten vorgebbaren Berei- chen eines Bauelements angeordnet sind, kann eine bestimmte Strömungs führung eines Fluids beim Durchströmen eines Bauelements vorgegeben wer den.
5 Nach dem Sintern sind, bis auf eine ggf. erforderliche Entfernung von einem
Trägerelement mit oder ohne Bauplattform, keine Nacharbeiten, insbesonde re keine mechanische Nachbearbeitung mehr erforderlich.
Ein erfindungsgemäßes Bauelement kann als Brenner, insbesondere Poren
10 brenner, Strahlungsbrenner, Hochimpulsbrenner oder Brennereinsatz, oder als Solarabsorber oder als Katalysatorträger oder als Brennhilfsmittel bzw. Zwischenschicht zwischen Brennhilfsmittel und Brenngut, das im Stande ist eine auftretende Sinterschwindung des Brenngutes auszugleichen und somit dem Verzug des Brenngutes entgegenzuwirken, verwendet werden.
15
Ist ein erfindungsgemäßes Bauteil ein Transportband für einen Durchlaufofen kann durch die erreichbare großflächige Verknüpfung der Strukturelemente eine sehr hohe Flexibilität auch bei sehr großen Temperaturgradienten gesi chert werden. Die Gestaltung der Strukturelemente kann dabei auch Aufla
20 gepunkte für das jeweilige Brenngut beinhalten. Damit bieten sie eine Ergän zung zu oder sogar einen Ersatz von keramischen Brennkassetten oder Plat ten, in bzw. auf denen das Brenngut positioniert werden kan und die ihrer seits auf keramischen Rollen transportiert werden.
25 Bei flexiblen Abstandshaltern und Ausgleichselementen kann die flexible
Struktur genutzt werden, um die ggf. unterschiedliche thermische Dehnung kompakter keramischer oder metallischer Komponenten in thermisch bean spruchten Systemen auszugleichen, so dass zwischen diesen stets ein definier tes Abstandsmaß beibehalten werden kann, wenn ein entsprechender Ab
BO standshalte bzw. Ausgleichselement dazwischen positioniert ist. Die Fertigung des flexiblen keramischen Gitters erlaubt den Ausgleich stark unterschiedli cher thermischer Dehnungsverhalten, z.B. zwischen Gegenständen aus A O3 und SiC oder zwischen Keramik und Metallen, insbesondere Stahl.
35 Ein Bauteil kann auch eine modulierbare Porenbrennerstruktur sein. Die Be wegung des flexiblen Gitters der käfigförmigen Elemente erlaubt eine Gestal- tänderung in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen. So kann das Gegendruckverhalten eines Porenbrenners gezielt beeinflusst werden, in dem sich die Struktur bei höher Leistung und damit auch höherem Gasvolumen strom durch eine entsprechende Gestaltung der einzelnen Elemente aufwei tet und bei niedrigerer Leistung mit kleinem Volumenstrom wieder zusam menzieht. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass die Flamme auch bei sehr hohen Leistungen in der Struktur verbleibt und nicht aus dem Porenkörper ausgetragen wird. So bleiben die positiven Eigenschaften des Porenbrenners über einen größeren Modulationsbereich erhalten. Allgemeiner formuliert erlaubt die Änderung der Gestalt, Geometrie und damit auch des durch- strömbaren Querschnitts bei auftretenden Temperaturänderungen eine quasi automatische Prozessregelung.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
Figur 1 in schematischer Form ein Beispiel eines erfindungsgemäßen
Bauelements, das mit quaderförmigen Elementen A und zylinderförmigen Elementen B als käfigförmige Elemente gebildet ist, die jeweils ineinander verschlungen sind, wobei die senkrechten Stege der zylinderförmigen Elemen te B zwischen den quaderförmigen Elementen A verlaufen;
Figur 2 in schematischer Form ein Beispiel eines erfindungsgemäßen
Bauelements, das mit quader- und zylinderförmigen Elementen gebildet ist, die jeweils ineinander verschlungen sind, wobei die senkrechten Stege der zylinderförmigen Elemente B in diesem Fall innerhalb der quaderförmigen Elemente A verlaufen;
Figur 3 in schematischer Form ein Beispiel eines erfindungsgemäßen
Bauelements, das mit nur mit quaderförmigen Elementen A unterschiedlicher Größe Al und A2 gebildet ist, die jeweils ineinander verschlungen sind und
Figur 4 in schematischer Form ein Beispiel eines erfindungsgemäßen
Bauelements, das mit nur mit nur zylinderförmigen Elementen B unterschied licher Größe Bl und B2 gebildet ist und zusätzliche senkrechte Stege C zur Stabilisierung aufweisen, die jeweils ineinander verschlungen sind und Figur 5 in schematischer Form ein Beispiel eines erfindungsgemäßen
Bauelements analog Figur 2, das mit quader- und zylinderförmigen Elementen gebildet ist, die jeweils ineinander verschlungen sind und das Bauelement auf einer Trägerstruktur D angeordnet ist.
Figur 1 zeigt ein Bauelement, das mit quader- und zylinderförmigen Elemen ten A und B als käfigförmige Elemente gebildet ist, die jeweils ineinander ver schlungen sind. Dabei ist jeweils ein zylinderförmiges Element B mit vier rah menförmigen Elementen A, die eine quadratische Form aufweisen, verschlun gen. Die senkrechten Stege der zylinderförmigen Elemente B, die ringförmige Elemente, mit denen zylinderförmige Elemente B gebildet sind, verlaufen ge nau zwischen den quaderförmigen Elementen A und halten diese so auf Ab stand.
Figur 2 zeigt ein Bauelement, das mit quader- und zylinderförmigen Elemen ten A und B gebildet ist, die jeweils ineinander verschlungen sind. Dabei ist jeweils ein zylinderförmiges Element B mit vier rahmenförmigen Elementen A, die eine quadratische Form aufweisen, verschlungen. Die senkrechten Stege der zylinderförmigen Elemente B verlaufen in diesem Fall innerhalb der qua derförmigen Elemente A.
Figur 3 zeigt ein Bauelement, das nur mit quaderförmigen Elementen Al und A2 gebildet ist, die jeweils ineinander verschlungen sind. Dabei wurden meh rere rahmenförmige Elemente Al und A2, die unterschiedliche Geometrien und Dimensionierungen aufweisen und Bestandteil jeweils eines quaderför migen Elements sind, eingesetzt.
Figur 4 zeigt ein Bauelement, das mit ringförmigen Elementen Bl und B2 ge bildet ist, die jeweils ineinander verschlungen sind. Dabei weisen die ringför migen Elemente Bl und B2 in ihrem Inneren Stege CI und C2 auf, die jeweils senkrecht innerhalb eines ringförmigen Elements Bl und B2 angeordnet sind und die die Stabilität erhöhen können. Die ringförmigen Elemente Bl und B2 sind jeweils mit senkrechten Stegen verbunden, so dass sie zylinderförmige Elemente bilden. Figur 5 zeigt ein Bauelement, das mit quader- und zylinderförmigen Elemen ten A und B, wie beim Beispiel nach Figur 2 gebildet ist, die jeweils ineinander verschlungen sind. Dabei sind quader- und zylinderförmige Elemente A und B mit einer Trägerstruktur D verbunden.
Beispiel 1
Für industrielle Trocknungsprozesse bei der Papierherstellung, werden flächi ge Strahlungsbrenner eingesetzt. Diese werden bisher häufig mit einem me tallischen Glühkörper versehen, um die entstehende Wärme optimal an das zu beheizende Gut abzustrahlen. Die chemische Stabilität des Metalls und dessen Tendenz zur Erweichung begrenzen die Brenntemperaturen. Um eine Steigerung des Wirkungsgrades zu erzielen und die Energieeffizienz zu verbes sern, ist es vorteilhaft Glühkörper aus Keramik einzusetzen. Dabei sind insbe sondere offenzeilige Netzwerke, wie beispielsweise keramische Schäume oder Strukturen auf Basis technischer Textilien interessant. Diese besitzen häufig nur einen Materialvolumenanteil von 50 % bis 10 % und sind entsprechend gut durchströmbar. Durch die hohe thermische Beständigkeit des Siliciumcar- bids werden diese Strukturen bevorzugt aus einer der beiden Materialvarian ten SSiC (drucklos gesintertes SiC) oder SiSiC (Silicium-infiltriertes SiC) herge stellt. Trotz des geringen Werkstoffvolumenanteils und den Vorzügen der netzwerkartigen Struktur neigen derartige keramische Strahlkörper zur Riss bildung infolge der auftretenden Temperaturgradienten, insbesondere bei Modulationsprozessen und beim Brennerstart.
Bei der Erfindung können solche Strahlkörper von Strahlungsbrennern, in de nen die Verbrennungsreaktion abläuft, durch die Segmentierung in einzelne, miteinander verbundene, aber flexible bewegliche käfigförmige Elemente hergestellt werden. Die Elemente eines Strahlkörpers können dabei die wäh rend des Zünd- und Moduliervorganges auftretenden Temperaturgradienten deutlich besser verkraften als monolithische Platten aus keramischem
Schaum, regelmäßigen oder unregelmäßigen Netzwerken.
Für die Herstellung eines solchen Bauelements wird zunächst eine Konstrukti on angefertigt, die die Gestalt der einzelnen Elemente A und B und ihre späte- re Anordnung zueinander definiert. Diese kann beispielsweise aus zwei käfig förmigen Elementarten A und B bestehen. Die Einheitszelle des quaderförmi gen Elements A sei dabei ein einfacher Würfel mit Stegen einer Kantenlänge von 15 mm. Die Einheitszelle des Elementes B sei ein zylinderförmiger Volu menkörper bestehend aus zwei ringförmigen Elementen mit einem Durch messer von ebenfalls 15 mm und vier rotationssymmetrisch angeordneten Stegen C mit einer Länge von 15 mm, die die beiden ringförmigen Elemente miteinander zu einem zylinderförmigen Element verbinden. Die quader- und zylinderförmigen Elemente A und B sollen in diesem Fall aus zwei übereinan der angeordneten Einheitszellen bestehen, so dass der jeweilige Strahlkörper in Summe aus zwei Ebenen besteht. Die Stegdicke aller Elemente sei mit 2,5 mm und der Außendurchmesser bei rotationssymmetrischen Stegen bzw. die Länge der Flächendiagonale bei nichtrotationssymmetrischen Stegen mit 2,5 mm definiert. Jedes Element besitzt zusätzliche Stege C, die es nach unten mit einer Trägerstruktur D verbinden können, um den Abstand der einzelnen Elemente A und B zueinander zu gewährleisten. Auf dieser Trägerstruktur D seien die Elemente A mit einem Abstand von 5 mm zueinander angeordnet. Die mittlere Längsachse (Zentralachse) durch die ringförmigen Elemente B sei symmetrisch im Schnittpunkt der Diagonalen zwischen den quaderförmigen Elementen, die mit rahmenförmigen Elementen A gebildet sind, angeordnet (vgl. Fig. 5). Die vertikal verlaufenden Stege C der quaderförmigen Elemente A durchdringen dabei die Volumen der zylinderförmigen Elemente B und ver knüpfen so beide Strukturen. Die vertikalen Stege D der zylinderförmigen Elemente B ihrerseits verlaufen in den Zwischenräumen der quaderförmigen Elemente A und definieren so den minimal möglichen Abstand zwischen den Gitterelementen. Die zylinderförmigen Elemente B seien überdies durch die Trägerstruktur D so angeordnet, dass sie um eine halbe Einheitszelle höher angeordnet sind als die Elemente des Typs A (vgl. Fig. 5). Das gesamte Bau element soll aus einem Raster von 10 x 7 quaderförmigen Elementen A und 9 x 6 zylinderförmigen Elementen B bestehen und so eine Gesamtdimension von 200 mm x 140 mm aufweisen.
Für ein Beispiel soll die konstruierte Struktur mittels 3D-Druck in ein polyme res Vorprodukt (Templat) überführt werden. Dieses polymere Vorprodukt, das beispielsweise mittels selektivem Lasersintern aus Polyamid gefertigt werden kann, soll dann mit einer keramischen Suspension aus SiC-Partikeln nach dem oben beschriebenen Verfahren beschichtet werden. Die auf Wasserbasis be ruhende Suspension kann beispielsweise sinterfähige SiC-Partikel in Form ei ner bimodalen Mischung aufweisen, deren mittlere Partikelgröße dso zwi schen 0,01 pm und 50 pm beträgt. Daneben kann diese Suspension noch an organische und/oder organische Additive zur Einstellung eines geeigneten Fließ- und Benetzungsverhaltens, sowie Hilfsmittel, zur Einstellung des Sinter verhaltens enthalten. Im Falle einer Siliciumcarbid-Suspension enthält diese beispielsweise eine bimodale SiC-Partikelgrößenverteilung, hergestellt durch Mischung von SiC-Pulvern mit mittleren Partikelgrößen dso von 2 pm und 25 pm im Verhältnis von 60 % zu 40 %; außerdem 0,7 % Borcarbid und 12 % eines wasserlöslichen Polysaccharids (entspricht 2,5 % Kohlenstoff nach der Pyrolyse) als Sinteradditiv. Bei den Prozentangaben soll es sich generell um Masse-% handeln.
Das Fließverhalten der Suspension sollte so eingestellt sein, dass alle zu be schichtenden Oberflächenbereiche des gedruckten Vorprodukts mit Suspensi on benetzt werden können. Hierzu wird ein Feststoffgehalt von ca. 87 Masse- % bezogen auf die gesamte Masse der Suspension eingestellt. Die Beschich tung selbst kann mittels eines Tauchverfahrens erfolgen, bei dem das zuvor gedruckte gitterförmige Vorprodukt in ein Suspensionsreservoir eingetaucht und nach einer definierten Verweilzeit wieder entnommen wird. Nach dem Tränkprozess kann überschüssige Suspension durch Rütteln oder Zentrifugie ren entfernt werden, wobei die Wahl der Prozessparameter die Schichtdicke der Beschichtung bestimmt. Hierbei ist darauf zu achten, dass die einzelnen Elemente A und B nicht durch Suspensionsfilme bzw. Tropfen miteinander verbunden werden. Die Beschichtungsparameter sind so einzustellen, dass möglichst eine gleichmäßige Stegumhüllung im gesamten Bauteil vorliegt. Die Dicke der Beschichtung sollte zwischen 50 pm und 750 pm, bevorzugt zwi schen 120 pm und 500 pm liegen. Es ist möglich, die Dicke der Beschichtung auch durch mehrfache aufeinanderfolgende Tauchvorgänge mit zwischenge lagerten Trocknungszeiten zu erreichen. Nach einem abschließenden Trock nungsprozess bei 60 °C bis 80 °C über einen Zeitraum von 1 Stunde bis 8 Stun den erfolgt eine Hochtemperaturwärmebehandlung, die mit der thermischen Zersetzung oder der Ausschmelzung der gedruckten, polymeren Vorprodukt struktur beginnt. Die Temperatur für diesen Prozessschritt ist so zu wählen, dass ein vollständiges Entfernen des Vorproduktes durch Ausschmelzen oder thermische Zersetzung möglich ist, bevor der Verdichtungsprozess durch das Sintern beginnt. Im vorliegenden Fall kann diese Temperatur bis zu 1200 °C betragen, wobei die Zersetzung oder Ausschmelzung des Kernelementwerk stoffs, mit dem das Vorprodukt hergestellt worden ist, günstigstenfalls unter Inertgasatmosphäre durchgeführt werden kann. Ist dies erfolgt, kann durch das Sintern das abgeformte Halbzeug in ein keramisches Bauelement mit ge ometrisch verbundenen, aber stofflich getrennten Elementen A und B über führt werden. Dazu wird das verbliebene SiC-Pulvergerüst unter Argon- Atmosphäre bei einer Temperatur zwischen 2000 °C und 2200 °C gesintert.
Die lineare Schwindung der Struktur kann zwischen 3 % und 20 % betragen und wird durch die Wahl des Ausgangspulververhältnisses, die Sintertempera tur und die Art und Menge der zugesetzten Additive bestimmt.
Nach Abschluss des Sintervorganges muss die Trägerstruktur D mechanisch entfernt werden. Dadurch erlangen die einzelnen käfigförmigen Elemente A und B ihre Beweglichkeit innerhalb der zuvor definierten geometrischen Grenzen.
Die flexible Gitterstruktur kann nun in eine Rahmenkonstruktion für Strah lungsbrenner eingebunden werden. Hierbei empfiehlt es sich nur wenige Ele mente der Randbereiche fest einzubinden und den anderen die Bewegung zur Minimierung mechanischer Spannungen zu ermöglichen.
Beispiel 2
Ein zweites Anwendungsbeispiel sind Strahlbrenner, wie sie unter anderem bei Temperprozessen in der Glas- und Stahlindustrie zum Einsatz kommen. Sie dienen beispielsweise zu Erwärmung von Halbzeugen für deren nachfolgende Umformung. Durch das Eindüsen heißer Verbrennungsgase kann eine bessere Umwälzung der Ofenatmosphäre erreicht werden, was zu einer gleichmäßige ren und schnelleren Durchwärmung des Brenngutes führt. Die Brennerdüsen dieser Strahlbrenner bestehen zumeist aus Silicium-infiltriertem Siliciumcar- bid. Um eine höhere Brennereffizienz zu erreichen können in den Brennraum der Siliciumcabrid-rohre poröse Flammhalter eingebaut werden, die dann als eine Art Porenbrenner fungieren. Für diesen Anwendungsfall können monoli thische poröse Flammhalterstrukturen aus Hochtemperaturwerkstoffen, wie beispielsweise Siliciumcarbid nicht mehr eingesetzt werden, da sie der schlag artigen Belastung im pulsenden Betrieb nicht standhalten. Eine Brennerkom ponente aus einem flexiblen keramischen Netzwerk hingegen ist hierbei in der Lage die hohen mechanischen Belastungen durch die schlagartige Ausbreitung der gezündeten Brenngase ebenso zu ertragen, wie die auftretenden ther momechanischen Spannungen durch die Temperaturgradienten.
Im Gegensatz zu den im Beispiel 1 beschriebenen flachen Strahlungsbrennern mit häufig rechteckiger Grundfläche, sind die Brennerdüsen vorzugsweise rund gestaltet. Erfindungsgemäß kann auch hierfür eine optimale konstruktive Lösung gefunden werden, die eine maximale Stabilität der Struktur als Ganzes bzw. ihrer einzelnen Elemente ermöglicht. Der Herstellungsprozess von der Konstruktion über den Druck bis hin zur Beschichtung, Wärmebehandlung und anschließenden Entfernung der Stützstruktur D ist äquivalent zum Beispiel 1.
Da die mechanische Belastung aber ungleich höher ist, können die Stege C der Elemente A und/oder B dicker ausgeführt werden. Auch ist es möglich alle oder einzelne Elemente A und/oder B konstruktiv besonders unempfindlich gegenüber mechanischen Lastspitzen zu gestalten, indem diese beispielsweise keine scharfen Kanten aufweisen. So kann eine solche Struktur unter anderem aus kugelartigen Elementen aufgebaut sein, die ihrerseits aus drei ringförmi gen Stegen bestehen.
Beispiel 3
Brennhilfsmittel und Sinterunterlagen werden in der keramischen Industrie in vielfältigen Formen benötigt. Ihre Aufgabe besteht in der stabilen Lagerung von Brenngut über den gesamten Prozess der Wärmebehandlung. Aus ener getischer Sicht ist es nützlich, wenn diese Brennhilfsmittel hohe Aufheiz- und Abkühlraten ertragen können und überdies möglichst leicht sind, damit so wenig Masse wie möglich zusätzlich zum eigentlich Brenngut erwärmt werden muss. Da viele keramische Produkte im Verlauf der Sinterung eine Schwin dung erfahren, sind mitschwindende Unterlagen von hohem Interesse. Ge mäß der vorliegenden Erfindung können Brennhilfsmittel aus verschiedenen Materialien gefertigt werden, die durch ihre netzwerkartige Struktur beson ders leicht sind. Die Beweglichkeit der einzelnen käfigförmigen Elemente er- möglicht es die Schwindung von Brenngut auszugleichen oder reduziert zu mindest die sonst üblicherweise auftretende Behinderung der Schwindung.
Beispielhaft können derartige Brennhilfsmittel aus Cordierit aufgebaut wer den. Hierfür kann Cordieritschamotte mit Ballclay, Speckstein und Alumini umoxid in einem Verhältnis von ca. 60 zu 20 zu 15 zu 5 gemischt werden. Da für werden die pulverförmigen Ausgangstoffe mit einer mittleren Partikelgrö ße d5o von ca. 20 pm mit Wasser vermischt und zu einer fließfähigen Suspen sion mit ca. 80 % bis 85 % Feststoffanteil verarbeitet. Das Fließverhalten kann wesentlich über die Korngröße der Cordieritschamotte beeinflusst werden. Anschließend erfolgt analog zu Beispiel 1 die Beschichtung eines mit gedruck ter Trägerstruktur versehenen Vorproduktes, das entsprechend der Aufgabe auch aus einem zusammenhängenden Grundgitter gefertigt sein kann, in das flexible Einzelelemente als zweites Gitter eingebracht sind. Bei einer Wärme behandlung von ca. 1300 °C wird das Material gebrannt, wobei zunächst das Vorprodukt thermisch zersetzt wird. Das verbleibende zusammenhängende untere Gitter übernimmt dabei die Funktion der Lastaufnahme und Weiterlei tung zu den Stützen des Ofenaufbaus. Die beliebig gestalteten kleineren Ele mente, die aus mindestens einer Elementzelle aufgebaut sind, bilden die zwei te Ebene, auf der das Brenngut ablegt werden kann. Durch die gezielt ausge wählten Kontaktpunkte und die konstruktive Vorgabe ihrer Beweglichkeit können Dimensionsänderungen des Brenngutes während der Sinterung aus geglichen werden.
Ein solches Brennhilfsmittel kann beispielsweise ein quadratisches Grundgit ter mit 460 mm Kantenlänge aufweisen, dessen einzelne käfigförmigen Ele mente ca. 20 mm Kantenlänge besitzen. Erfindungsgemäß können voneinan der unabhängige Elemente A mit einer Kantenlänge von beispielsweise 20 mm bis 50 mm in dieses Gitter eingepasst sein. Diese bilden die eigentliche Kon taktfläche zum Brenngut. Um eine Ebene Auflage zu ermöglichen können Elemente A auch einseitig an der Oberseite mit einer ebenen Platte verschlos sen sein.

Claims

Patentansprüche
1. Temperaturwechselbeständiges Bauelement, insbesondere ein Bren ner, ein Solarabsorber, ein Katalysatorträger, ein Brennhilfsmittel, ein Schwindungsvermittler, ein Transportband für einen Durchlaufofen, ein Abstandshalter, ein Ausgleichselement oder eine Porenbren nerstruktur, das während des Betriebs Temperaturwechselbeanspru chungen ausgesetzt ist, und dabei lokal Temperaturdifferenzen von mindestens 100 K auftreten; wobei das dreidimensionale Bauelement mit käfigförmigen Elementen (A, B), die einen inneren Hohlraum um schließen, gebildet ist; wobei
die käfigförmigen Elemente (A, B) aus einem sinterbaren keramischen Werkstoff bestehen und
die einzelnen käfigförmigen Elemente (A, B) nicht stoffschlüssig oder mittels Gelenken verbunden, sondern formschlüssig und ineinander verschlungen und nicht zerstörungsfrei lösbar sind, so dass Relativbe wegungen zwischen nebeneinander angeordneten käfigförmigen Ele menten (A, B) möglich sind.
2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die käfig förmigen Elemente (A, B) rahmen-, ring-, Zylinder- oder kugelförmig ausgebildet sind.
3. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die käfigförmigen Elemente (A, B) aus Stegen be stehen, die einen Hohlraum umschließen, der mindestens 60 % des Vo lumens des jeweiligen käfigförmigen Elements (A, B) ausmacht.
4. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass an Stegen käfigförmiger Elemente (A, B) ein As pektverhältnis Länge zu Durchmesser oder Länge zu Querschnittsflä chendiagonale von mindestens 3 zu 1 eingehalten ist.
5. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass das Bauelement mit käfigförmigen Elementen (A,
B) aus elektrisch leitendem und elektrisch nicht leitendem kerami schen Werkstoff gebildet ist.
6. Verfahren zur Herstellung eines Bauelements nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensio nalen käfigförmigen Elemente (A, B) mit einem additiven Herstellungs verfahren und anschließender Sinterung oder Schmelzinfiltration unter Einsatz mindestens eines pulverförmigen sinterfähigen keramischen Werkstoffs so ausgebildet werden, dass sie bei der Herstellung inei nander verschlungen werden und so eine Verbindung der so miteinan der verbundenen käfigförmigen Elemente (A, B) erreicht wird, die Re lativbewegungen zwischen nebeneinander angeordneten käfigförmi gen Elementen (A; B) ermöglicht und eine stoffschlüssige Verbindung zwischen käfigförmigen (A, B) vermieden wird.
7. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekenn
zeichnet, dass käfigförmige Elemente (A, B) mit einem Druckverfahren zu einem grünfesten Halbzeug verarbeitet und das Halbzeug bei min destens einer Wärmebehandlung gesintert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorpro dukt aus einem thermisch zersetzbaren Werkstoff mit einem additiven Herstellungsverfahren hergestellt wird, bei dem käfigförmige Elemente (A, B), die mit dem thermisch zersetzbaren Werkstoff gebildet sind, in einander verschlungen sind, und
anschließend diese käfigförmigen Elemente (A, B) des Vorproduktes mit einem pulverbasierten sinterfähigen keramischen Werkstoff an ih ren Oberflächen beschichtet werden und
im Anschluss an diese Beschichtung aus dem grünfesten Halbzeug bei mindestens einer Wärmebehandlung der thermisch zersetzbare Werk stoff des Vorproduktes ausgetrieben und der pulverförmige sinterfähi ge Werkstoff gesintert oder mit Schmelze infiltriert und
in käfigförmigen Elementen (A, B) mindestens ein Hohlraum ausgebil det wird.
9. Verfahren nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das additive Herstellungsverfahren auf einem Trägerelement (D) durchgeführt und ein damit hergestelltes Halbzeug vor einer Wärmebehandlung, mit der eine Sinterung des sinterfähigen Werkstoffs erreicht wird, vom Trägerelement (D) gelöst wird.
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