DE69027613T2 - Strangpressdüse zum Extrudieren von Wabenstrukturen mit verdickter Aussenhaut - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft eine Strangpressdüsen-Anordnung zum Extrudieren von Wabenstrukturen aus extrudierbaren Werkstoffen wie Glas, Glaskeramiken, Keramiken, Kunststoffen, Metallen, Keramik-Metall-Verbundwerkstoffen und anderen Werkstoffen, im Speziellen insbesondere solche, die durch relativ kleine Transportlocher oder Kanäle extrudierbar sind, deren Länge ein vielfaches ihres Durchmessers oder Querschnitts ist. Die Auslaß-Enden der Transportlöcher kommunizieren mit gitterförmig angeordneten Ausströmschlitzen, wobei diese Schlitze die Zellenwände eines wabenförmigen Extrudats bilden. Nach dem Extrudieren wird die Wabe derart behandelt, daß eine starre Wabenstruktur entsteht, wie sie in dieser Technik bekannt ist.
• Dünnwandige Wabenstrukturen sind in vielfältigen Technologien anwendbar. Beispielsweise verwendet man dünnwandige, aus keramischen Werkstoffen gebildete Wabenstrukturen als Katalysatorträger in katalytischen Umwandlern im Abgassystem von Innenbrennkraftmaschinen bzw. Verbrennungsmotoren. Diese finden auch Verwendung als Strahler, Katalysatorträger, Filter, Filter für Dieselpartikel, Filter für Metallschmelze, Baustoffe für Vergasungsbrenner-Holzofen (woodstove combustor substrates) und Wärmetauscher.
• Diese Erfindung betrifft insbesondere eine Strangpressdüse zur Herstellung einer verdickten Aussenhaut oder verdickten Aussenwandung auf der Oberfläche der extrudierten Wabenstruktur. Ohne eine derartige, verdickte Aussenhaut bilden verlängerte Verstärkungsrippen bzw. Stege die äußere Oberfläche des Extrudats, wobei die einzelnen Verstärkungsrippen bzw. Stege die freien Außenwände der äußersten Wabendurchgänge der facettenartigen (fasces-like), extrudierten Struktur oder Extrudats darstellen. Die Dicke der Außenfläche ist lediglich die Wanddicke der einzelnen Wabendurchgänge, die die verlängerten Verstärkunqsrippen oder Stege bilden. Fachleute im Stand der Technik haben erkannt, daß die mechanische Festigkeit des Extrudats erhöht werden kann, wenn man das Extrudierverfahren derart modifiziert, daß die extrudierte Struktur eine verdickte Aussenhaut oder Außenfläche hat, so daß diese Dicker als die Wabenzellenwände sind. Dies erreicht man üblicherweise dadurch Deformieren oder Zusammendrücken der verlängerten Wabenzellen am Umfang des Extrudats, wenn das Extrudat aus der Düse herauskommt. Die erfolgte dadurch, daß man einen Ring mit einer radial einwärts gerichteten Lippe vorsah, wobei die Lippe die axiale Ausgangsrichtung des fließfähigen Werkstoffes am Umfang der Auslaßdüsenschlitze verwindet oder ändert. Der Ring ist häufig von der Vorderseite der Auslaßschlitze durch ein Abstandsstück beabstandet, wobei der Bereich zwischen Lippe, Abstandsstück und Auslaßschlitz einen Füllspeicher für zu extrudierenden Werkstoff bildet; Ein derartiger Ring wird oftmals als Maske bezeichnet. Ebenso wurden eine Druckplatte (backer plate) und ein Flußteiler verwendet, wobei die letzteren zwei Elemente auf der Einlaß- oder stromaufwärtigen Seite der Düse angeordnet sind. Die Maske, die Düse, das Abstandstück und andere Elemente werden hier als Strangpressdüsen- Anordnung bezeichnet.
• Im Stand der Technik sind Strangpressdüsen und Maskenanordnungen zur Herstellung dünnwandiger Wabenstrukturen mit einer verdickten Außenwand beispielsweise bekannt aus U.S. Patenten 4 278 412, erteilt für Ozaki, 4 368 025, erteilt für Niato und 4 384 841, erteilt für Yamamoto. Während diese typischen, bekannten Anordnungen zur Herstellung einer verdickten Aussenhaut generell zufriedenstellend sind, können sie keinen stetigen bzw. einheitlichen Beschickungsfluß in den Füllspeicher zur Bildung einer dickeren Außenhaut gewährleisten. Die Bildung einer dickeren Aussenhaut führt zu einem höheren Grad an Lufteinschlüssen (air checks), Verwindung und welliger Haut bzw. Oberfläche. Bei sehr langen Düsen führt die Verwendung von Flußteiler/Druckplatte zur Flußsteuerung ferner zu vermehrten Formfehlern und Rissen.
• Die EP-A-0275162 beschreibt ein Strangpressdüsen-Anordnung zum Extrudieren einer Struktur mit einer verdickten Aussenhaut, wobei die Anordnung folgendes aufweist: Eine Strangpressdüse, die mehrere, sich axial erstreckende und im wesentlichen parallele Transportlöcher aufweist, wobei die Düse eine Einlaßseite und eine Auslaßseite hat, wobei die Auslaßseite mehrere Auslaßschlitze hat, die Reihen und Spalten von sich axial erstreckenden Stiften zugeordnet sind, die einstückig mit der Düse ausgebildet sind; und eine Düsenmaske am Umfang des Auström-Endes der Düse, wobei die Maske eine radial einwärts gerichtete Lippe hat, die einen Umfangsbereich der Auslaßseite überdeckt, wobei die Maskenlippe ein Ecke hat, wobei die Maskenlippe eine radial einwärts gerichtete Kraft auf den extrudierten Werkstoff ausübt, während der Werkstoff durch den Mittelbereich der Düse fließt, wodurch sich eine verdickte Haut auf dem extrudierten Werkstoff bildet; und eine Formplatte, die über der Düseneinlaßseite und in flächigem Kontakt mit dieser angeordnet ist, wobei die Formplatte eine Mittelöffnung und mehrere sich axial erstreckende Flußsteuerungsöffnungen hat, die radial eirwärts von der Kante der Formplattenmittelöffnung beabstandet sind, wobei diese zur Steuerung des Volumens und der Flußrate des hautbildenden Beschickungswerkstoffes unabhängig vom Volumen des Beschickungswerkstoffes, der an den Mittelabschnitt der Düse fließt, dienen, wobei jede Flußsteuerungsöffnung mit wenigstens einem Transportloch fluchtet und das Eingangsende dieses Transportloches speist.
• Die erfindungsgemäße Strangpressdüsen-Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Düse Mittel aufweist, die zur weiteren Steuerung des Volumens und der Flußrate von außenhautbildendem Beschickungswerkstoff an der Düsenauslaßseite angeordnet sind, wobei diese Mittel in Kombination mit der sich radial erstrekkenden Lippe eine kreisförmige Nut an der Düsenauslaßseite aufweisen, die unterhalb der Lippe angeordnet und wenigstens teilweise von der Lippe verdeckt ist, wobei an den von der kreisförmigen Nut gebildeten Speicher Extrudat von wenigstens einem Transportloch zugeführt ist, das eine Verbindung mit einer Flußsteuerungsöffnung in der Formplatte hat.
• Die Flußsteuerungsöffnungen der obigen Anordnung, die nutförmig oder Schlitze, wie auch Löcher sein können, können bezüglich der Transportlöcher gleich groß, größer, kleiner sein und/oder eine Kombination von verschieden Größen haben. Beispielsweise können die Düsenausströmöffnungen, die axial mit den Flußsteuerungsöffnungen fluchten, optional erweitert sein, so daß der Beschickungswerkstoff, der durch diese, axial mit den Flußsteuerungsöffnungen fluchtenden Transportlöcher fließt, in den erweiterten Ausströmschlitzbereich und von dort in den aussenhautbildenden Bereich am Umfang der Düsenausströmschlitze fließt.
• Fig. 1 stellt in (halb)longitudinalem Querschnitt eine bekannte Strangpressdüsen-Anordnung zur Herstellung von extrudierten Strukturen mit verdickter Aussenhaut dar.
• Fig. 2 ist eine ähnliche Ansicht wie Figur 1 und zeigt eine nicht erfindungsgemäße Anordnung, die jedoch als zum technischen Hintergrund gehörend beschrieben ist.
• Fig. 3 ist eine Aufsicht einer Formplatte, wie sie in Figur 2 verwendet ist.
• Fig. 4 ist eine Aufsicht der Begrenzungs- bzw. Blendenplatte, die im unteren Abschnitt von Figur 2 gezeigt ist.
• Fig. 5 ist eine Teilschemaansicht, die die Arbeitsweise der Flußbegrenzungsplatte von Figuren 2 und 4 zur Strömungsregelung darstellt.
• Fig. 6 ist eine ähnlich Ansicht wie Figur 2 und stellt eine erfindungsgemäße Ausführungsform dar, in der kein Abstandsstück zwischen Düsenausströmseite und der Maske vorgesehen ist.
• Unter Bezugnahme auf Figur 1 der Zeichnungen wird nun eine typische, bekannte Konstruktion zur Herstellung einer Wabenstruktur durch Düsenstrangpressen dargestellt. Bezugsziffer 12 bezeichnet eine Düse, üblicherweise aus Metall, mit einer Unter- oder Einlaßseite und einer Ober- oder Auslaßseite. Die Oberseite ist mit mehreren, einstückigen Stiften 14 versehen, die mehreren, sich querend kreuzenden Schlitzen 16 (criss crossing slots) zugeordnet sind, die die üblichen Ausströmschlitze für Beschickungswerkstoff bilden. Die Düse 12 ist mit mehreren sich axial erstreckenden Transportlöchern 18 versehen, die entsprechende Ausströmöffnungen 16 speisen. Das Bezugszeichen 22 bezeichnet eine Maske mit einer radial einwärts gerichteten Lippe oder einem Vorsprung 24, wobei letztere eine Kante 26 einer Öffnung 27 hat, die kreisförmig ausgeführt sein kann. Das Bezugszeichen 28 bezeichnet ein Abstandsstück, das die Maske von dem freien, oberen Ende der Stifte 14 beabstandet. Das Abstandsstück und der untere Vorsprungabschnitt der Maske bilden zusammen mit den zugehörigen Stiften 14 einen Füllspeicher 30, der kreisförmig sein kann. Das Bezugszeichen 34 bezeichnet eine Druckplatte, die gegen die Einlaßfläche der Düse 12 gesetzt ist. Das Bezugszeichen 36 bezeichnet eine Flußteilungsplatte mit einem radial einwärts gerichteten Abschnitt, der mit einer freien Kante 38 endet und mit einem zweiten radial einwärts gerichteten Abschnitt 40. Die Achse 8 bezeichnet die longitudinale Mittelachse der Anordnung, wobei die Achse parallel zum zentralen oder Hauptbeschickungsfluß verläuft. Der stromabwärtige Abschnitt der Anordnung ist hier überhalb dem stromaufwärtigen Abschnitt dargestellt.
• Im Betrieb wird der Beschickungswerkstoff, wie durch den Pfeil angedeutet, in die Transportlöcher gespeist. Der Werkstoff tritt dann durch die Ausströmschlitze 16 aus und fließt von dort durch Öffnung 27, wobei derjenige Abschnitt des Beschikkungsaustromes, der nahe dem Umfang des Extrudats ist, von dem Füllspeicher 30 zugeführt ist, wobei der Füllspeicher 30 kreisförmig sein kann. Der überhängende Abschnitt 24 der Maske 22 und das Abstandsstück zwingen beide am Ausström-Ende der Ausströmschlitze den radial äußersten Abschnitt des Beschikkungswerkstoff-Ausstroms in die von dem gekrümmten Pfeil angedeutete Richtung. Dies bildet eine verdickte Aussenhaut des Wabenextrudats.
• Wie bereits festgestellt, leidet diese Anordnung unter mehreren Nachteilen und war nicht vollständig zufriedenstellend.
• Figuren 2 und 3 der Zeichnungen zeigen eine andere Düsenanordnung aus dem technischen Hintergrund. Diejenigen Abschnitte der Anordnung, die die Düse 12 und alle Elemente über der Düse enthalten, sind dieselben wie die in Figur 1 gezeigten. Statt der Druckplatte 34 und dem Flußteiler 36 ist jedoch eine Formplatte verwendet, die in Aufsicht in Figur 3 dargestellt ist. Die Formplatte ist mit Bezugsziffer 44 bezeichnet und weist eine Serie von Flußsteuerungsöffnungen 46 auf, die bezüglich den Transportlöchern 18 in ihrem Durchmesser variieren und kreisformartig angeordnet sein können. Diese Öffnungen sind radial auswärts der Krempe 48 von einer Öffnung 50 in der Formplatte angeordnet. Die Form der Öffnung so ist vorzugsweise kongruent mit der transversalen Querschnittsform des Wabenextrudats, das von der Anordnung hergestellt wird, ausgebildet. In Figur 3 ist eine elliptische Form dargestellt. Der Durchmesser der Löcher 46 liegt im Bereich von 0,02 bis 0,25 Inches, wobei der Bereich von 0,063 bis 0,086 Inches bevorzugt ist.
• Es ist ersichtlich, daß jede Flußsteuerungsöffnung 46 der Formplatte 44 wenigstens ein Transportloch 18 der Düse 12 speist.
• Die Formplatte 44 und ihre Öffnungen 46 haben die Funktion das Volumen des Beschickungswerkstoffes, das den Füllspeicher 30 erreicht, zu dosieren oder zu steuern. Betrachtet man Figur 1, so sieht man, daß das Volumen des Beschickungswerkstoffes im Füllspeicher 30 von dem Ausmaß des Überhangs der Maske 22 über dem Füllspeicher 30 abhängig ist. Die Flußrate des Beschikkungswerkstoffes durch die Düse und das Abstandsvolumen bestimmen die Charakteristik der verdickten Haut des Wabenextrudats. Durch Verwendung der Formplatte 44 und seiner Öffnungen 46 wird das Volumen des Beschickungswerkstoffes, das den Füllspeicher erreicht, von der Hauptmasse des Beschickungswerkstoffes (der parallel zur Achse 8 fließt) abgetrennt, wobei letzteres durch Öffnung 50 der Formplatte fließt. Daher können zur Bestimmung des Volumens und der Flußrate des dem Füllspeicher 30 zugeführten Werkstoffes die Anzahl der Öffnungen 46, ihr radialer Abstand von der Krempe 48 der Öffnung 50 und ihr Durchmesser verwendet werden. Der Durchmesser der Öffnungen 46 kann ferner derart vergrößert werden, daß jede mehr als einen Durchgang oder mehr als ein Transportloch 18 der Düse 12 speist. Zusätzlich kann der Durchmesser der Öffnungen 46 von einer zur nächsten benachbarten variieren. Diese Variation hängt von der Zellenanzahl pro Quadratinch/Zentimeter des Substrat, der Zelldicke und der Form der Öffnungen 46 ab, die die Form von Schlitzen statt von runden Löchern haben können. Jede dieser Variablen verändert um einen gewissen Grad das Durchsatzvolumen und die Flußrate des hautbildenden Beschikkungswerkstoffes gegenüber dem Haupt- oder radial zentrierten Durchsatzvolumen und der Haupt- oder radial zentrierten Flußrate des Beschickungswerkstoffes.
• Betrachtet man Figur 2, so ist leicht zu sehen, daß die zeitliche Flußrate des Werkstoffes von dem Speicher 30 nach der Kante 26 im wesentlichen anders ist als die entsprechende zeitliche Flußrate des Werkstoffes, der durch die mittige Öffnung 27, nahe der Achse 8 fließt.
• Wie weiterhin in Figur 2 dargestellt, hat das Abstandsstück 52 eine radial einwärts gerichtete Kante 54, die unterhalb und gegen die Formplatte 44 angeordnet ist. Das Abstandsstück 52 beabstandet die mit einer mittigen Öffnung versehene Begrenzungsplatte 56 von der Formplatte 44. Die Krempe der Öffnung 58 ist mit 60 bezeichnet. Wie in Figur 4 dargestellt, können Aussparungen 61 an den Enden der Hauptachse der elliptischen Öffnung 58 vorgesehen sein. Die Verwendung einer Flußbegrenzungsplatte 56 ist optional und kann zur Korrektur von ungleichem Beschickungsfluß verwendet werden, der durch den Aufbau der Extrudiervorrichtung entsteht, wobei letzere in Figur 5 schematisch mit 57 angedeutet ist. Die Geschwindigkeit der Beschickungseinspeisung kann in Abhängigkeit von der Viskosität des Beschickungswerkstoffes, dem Zustand der Extrudiervorrichtung und Größe der Zellenstruktur des extrudierten Körpers variieren. Der Flußbegrenzer hat die Funktion den Beschickungsfluß vor dem Erreichen der Formplatte/Transportlochdüse anzugleichen.
• Abhängig von der Ausführung, unterstützt die Begrenzungsplatte den Beschickungsfluß oder die Beschickungsgeschwindigkeit in einem Bereich und vermindert den Beschickungsfluß in anderen Bereichen, vgl. Figuren 4 und 5. Beim Austritt aus dem Flußbegrenzer ist ein gleichmäßiger Beschickungsfluß oder eine gleichmäßige Beschickungsgeschwindigkeit gewünscht. Die Ausführung ist abhängig von der Ausführung der Extrudiervorrichtung, der Viskosität des extrudierenden Werkstoffes und der Zellenstruktur des extrudierten Körpers. Die Kante 60 des Begrenzers 56 variiert in bestimmten Bereichen, wie beispielsweise in 61, zur Berücksichtigung und Korrektur einer ungleichmäßigen Geschwindigkeit, die von einer bestimmten Extrudiervorrichtung 57 erzeugt wird. Die Begrenzungsplatte korrigiert derartige ungleiche Geschwindigkeiten, wie dies mit einer Geschwindigkeitsverteilungskurve 70 angedeutet ist. Die ungleichen Geschwindigkeiten werden geglättet, wie dies mit der Geschwindigkeitsverteilungskurve 72 von Figur 5 angedeutet ist.
• Beim Strangpressen von einigen dünnwandigen Wabenstrukturen für bestimmte Anwendungen, wird als Hautdicke eine 3 bis 20fache Netzdicke benötigt. In diesen speziellen Anwendungen, in der eine Beschickungszusammensetzung mit konstanter oder keiner Schrumpfrate verwendet ist, wird eine Vorrichtung ohne Abstandsstück gemäß Figur 6 verwendet. Figur 6 zeigt eine Düsenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung. In dieser Anwendung behält die Maske 22 eine konstante Größe, die aber ebenso variiert werden kann. Die benötigte Hautdicke ist das Verhältnis zwischen Kante 26 der Maske 22 und Speicher 32. Wie mit 32 angedeutet, können diejenigen Bereiche 14 zwischen den Ausströmschlitzen 16, die axial mit den Flußsteuerungsöffnungen 46 fluchten, mit einer im Stand der Technik bekannten Funkenerosions-Tiefenbehandlung (EDM, plunge electric discharge machining) entfernt werden. Der ringförmige, entfernte Bereich 32 der Ausströmschlitze hat üblicherweise eine Querschnittsbreite, die größer als die Breite der Ausströmschlitze 16. In der Praxis werden zur Bildung der ringförmigen Zone 32 nur ganze Stifte 14 mit EDM entfernt. Die Öffnungen 46 können trichterförmig sein, deren breiteres Ende mit Transportlöchern 18 fluchtet und diese speist. Die Formplatte 44 wird zur Steuerung des Beschickungsflußes zum Speicher 32 verwendet, wobei die Kante 26 der Formplatte 22 zur Steuerung der Zellenverwindung um den Umfangsabschnitt der Wabenstruktur herum dient. Erhöht man die Größe der Kante 26 radial, dann wird die Haut dicker und vermindert man die Größe der Kante 26 radial, dann wird die Haut dünner.

Claims (10)

1. Strangpressdüsen-Anordnung zum Extrudieren einer Struktur mit einer verdickten Aussenhaut, wobei die Anordnung folgendes aufweist: eine Strangpressdüse (12), die mehrere, sich axial erstreckende und im wesentlichen parallele Transportlöcher (18) hat, wobei die Düse eine Einlaßseite und eine Auslaßseite hat, wobei die Auslaßseite mehrere Ausströmschlitze (16) hat, wobei letztere Reihen und Spalten von sich axial erstreckenden Stiften (14) zugeordnet sind, die einstückig mit der Düse ausgebildet sind; und eine Düsenmaske (22) am Umfang des Auström-Endes der Düse, wobei die Maske eine radial einwärts gerichtete Lippe (24) hat, die einen Umfangsbereich der Auslaßseite überdeckt, wobei die Maskenlippe (24) ein Ecke hat, wobei die Maskenlippe eine radial einwärts gerichtete Kraft auf den extrudierten Werkstoff ausübt, während der Werkstoff durch den Mittelbereich der Düse fließt, wodurch sich eine verdickte Haut auf dem extrudierten Werkstoff bildet; und eine Formplatte (44), die über der Düseneinlaßseite und in flächigem Kontakt mit dieser angeordnet ist, wobei die Formplatte eine Mittelöffnung (50) und mehrere sich axial erstrekkende Flußsteuerungsöffnungen (46) hat, die radial einwärts von der Kante der Formplattenmittelöffnung (50) beabstandet sind, wobei diese zur Steuerung des Volumens und der Flußrate des hautbildenden Beschickungswerkstoffes unabhängig vom Volumen des Beschickungswerkstoffes, der an den Mittelabschnitt der Düse gespeist ist, dienen, wobei jede der Flußsteuerungsöffnungen mit wenigstens einem Transportloch (18) fluchtet und das Eingangsende dieses Transportloches speist, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse Mittel aufweist, die zur weiteren Steuerung des Volumens und der Flußrate von außenhautbildendem Beschickungswerkstoff an der Düsenauslaßseite angeordnet sind, wobei diese Mittel in Kombination mit der sich radial erstrekkenden Lippe (24) eine kreisförmige Nut (32) an der Düsenauslaßseite aufweisen, die unterhalb der Lippe (24) angeordnet und wenigstens teilweise von der Lippe (24) verdeckt ist, wobei an den von der kreisförmigen Nut (32) gebildeten Speicher Extrudat von wenigstens einem Transportloch zugeführt ist, das eine Verbindung mit einer Flußsteuerungsöffnung in der Formplatte (44) hat.

2. Düsenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfangsbereich der Düsenauslaßseite kontinuierlich ringf ormig ist.

3. Düsenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenmaske (22) und die Formplatte (44) ringförmig sind.

4. Düsenanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenanordnung zum Extrudieren einer Wabenstruktur ausgelegt ist.

5. Düsenanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußsteuerungsöffnungen (46) bezüglich dem Transportloch (18) gleich groß, größer, kleiner sind und/oder eine Kombination von verschieden Größen haben.

6. Düsenanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ausströmschlitze (16) einander querend kreuzen.

7. Düsenanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lippe (24) axial stromab von den Enden der Stifte (14) beabstandet ist.

8. Düsenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenmaske (22) in Kontakt mit der Ausströmseite der Düse steht.

9. Düsenanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kante der Maskenlippe (24) axial mit der Kante der Formplattenmittelöffnung (50) fluchtet

10. Düsenanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Bereich der Ausströmschlitze (16) der Düse Ausströmschlitze aufweist, die breiter als die verbleibenden Ausströmschlitze sind, wobei die Düse axial mit einer ringförmigen Zone fluchtet, die von den Flußsteuerungsöffnungen (46) und der Formplatte (44) gebildet ist.