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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einer Glühstiftkerze, insbesondere
zum Starten einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine,
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin
betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Glühstiftkerze.
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Zum
Starten einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine
ist eine Initialzündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches
in den Brennräumen der Verbrennungskraftmaschine erforderlich.
Hierzu werden Glühstiftkerzen eingesetzt, die jeweils in
einer Wandung eines Brennraumes angeordnet sind. Die Glühstiftkerzen
umfassen einen Glühstift, der mit dem zu zündenden
Kraftstoff-Luft-Gemisch in Kontakt gebracht wird.
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Üblicherweise
wird der Glühstift aus einer elektrisch leitfähigen
Keramik gefertigt. Hierbei besitzt der Glühstift einen
definierten elektrischen Widerstand, so dass bei Verbinden des Glühstiftes
mit einer Spannungsquelle ein Strom fließt, der zum Erwärmen
des Glühstiftes auf eine definierte Temperatur führt.
Diese Temperatur wird so gewählt, dass sie ausreichend
ist, um das Kraftstoff-Luft-Gemisch zu zünden.
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Aus
EP-A 1 768 456 ist
eine Glühstiftkerze bekannt, bei der in einem keramischen
Material ein Heizelement eingebettet ist. Das Heizelement ist u-förmig
ausgebildet und umschließt einen Kern aus dem keramischen
Material. Um ein Durchschlagen des Kerns, der vom Heizelement umschlossen
wird, zu verhindern, ist es notwendig, diesen ausreichend dick zu
fertigen. Da im Allgemeinen die Geometrie für die Glühstiftkerze
vorgegeben ist, führt dies dazu, dass die keramische Ummantelung
des Heizelementes in einer geringeren Dicke ausgeführt
werden muss. Da jedoch Glühstiftkerzen im Motorraum in
der Regel Ölaschekorrosion ausgesetzt sind, degeneriert der
keramische Werkstoff. Diese Degeneration führt zu einer
Verringerung der Standzeit der Glühstiftkerze. Aufgrund
der vorgegebenen Geometrie der Glühstiftkerze und der erforderlichen
Dicke des Kerns ist es nicht möglich, bei der aus
EP-A 1 768 456 bekannten
Glühstiftkerze das Heizelement ummantelnde keramische Material
in einer größeren Dicke auszuführen,
um so die Standzeit zu erhöhen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Eine
erfindungsgemäß ausgebildete Glühstiftkerze,
insbesondere zum Starten einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine,
umfasst einen Glühstift, der eine Spitze aufweist, die
in einen ein zündbares Kraftstoff-Luft-Gemisch enthaltenden Brennraum
der Verbrennungskraftmaschine eingreift. Der Glühstift
umfasst einen Mantel, der aus einem keramischen Material gefertigt
ist und enthält ein Heizelement. Das Heizelement umschließt
einen Kern aus einem Material mit einer Durchschlagsfestigkeit von
mindestens 20 kV/mm.
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Aufgrund
der Durchschlagsfestigkeit von mindestens 20 kV/mm ist es möglich,
den Kern, der vom Heizelement umschlossen wird, in einer geringeren
Dicke auszuführen, als dies bei der aus dem Stand der Technik
bekannten Glühstiftkerze möglich ist. Hierdurch
ist es möglich, das keramische Material für den
Mantel des Glühstiftes, der das Heizelement umschließt,
in einer größeren Dicke auszuführen. Hierdurch
kann die Standzeit der Glühstiftkerze erhöht werden,
da der Abbau des keramischen Materials durch die Ölaschekorrosion
aufgrund der größeren Dicke zu einer später
eintretenden Schädigung führt, die ein Unbrauchbarwerden
der Glühstiftkerze zur Folge hat.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform weisen das keramische
Material für den Kern und das keramische Material für
den Mantel des Glühstifts eine im Wesentlichen gleiche
Wärmeausdehnung auf. Durch die im Wesentlichen gleiche
Wärmeausdehnung wird vermieden, dass bei der Aufheizung der
Glühstiftkerze das keramische Material des Mantels des
Glühstifts oder das Material des Kerns geschädigt
werden. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn der Kern
eine größere Wärmeausdehnung aufweist
als das keramische Material des Mantels des Glühstifts.
In diesem Fall dehnt sich der Kern stärker aus als der
Mantel, was zu einem Reißen des Mantels führt.
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Als
Material für den Kern eignen sich zum Beispiel Aluminiumnitrid,
Siliziumcarbid und Siliziumnitrid, besonders bevorzugt als Material
für den Kern ist Aluminiumnitrid. Vorteil des Aluminiumnitrids
ist seine hohe Durchschlagsfestigkeit von ungefähr 20 bis
25 kV/nm, aufgrund dessen der Durchmesser des Kerns sehr klein gewählt
werden kann. Die Durchschlagsfestigkeit des Aluminiumnitrids ist
dabei abhängig von der genauen Zusammensetzung und dem
Hersteller. So ist zum Beispiel bei einer Glühstiftkerze,
wie sie üblicherweise in selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen
betrieben wird, eine Dicke des Kerns von 0,6 mm ausreichend, ohne
dass ein Durchschlagen durch den Kern auftritt. Ein weiterer Vorteil
von Aluminiumnitrid ist dessen Temperaturstabilität unter
Ausschluss von Luft. Der Schmelzpunkt von Aluminiumnitrid liegt
bei ungefähr 2000°C. Da die Temperaturstabilität
jedoch nur unter Ausschluss von Luft gegeben ist, ist es erforderlich,
den Kern aus Aluminiumnitrid mit einem Mantel aus einem anderen
keramischen Material zu versehen.
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Erfindungsgemäß ist
das keramische Material des Glühstiftes eine Nichtoxid-Keramik. Üblicherweise
wird eine Keramik verwendet, die auch in Gegenwart von Luft eine
hohe Temperaturstabilität zeigt. Als Nichtoxid-Keramiken
für den Glühstift eignen sich zum Beispiel Siliziumnitrid,
oder Siliziumcarbid, besonders bevorzugt als keramisches Material für
den Glühstift ist Siliziumnitrid.
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Vorteil
der Verwendung von Siliziumnitrid als keramisches Material für
den Glühstift und von Aluminiumnitrid für den
Kern ist, dass diese beiden Keramiken eine ähnliche Wärmeausdehnung
von ungefähr 4,6·10–6 K–1 aufweisen. Somit kann durch eine Kombination
dieser beiden Keramiken eine stabile und langlebige Glühstiftkerze
hergestellt werden. Da Aluminiumnitrid eine höhere Durchschlagsfestigkeit als
Siliziumnitrid aufweist und somit der Kern aus Aluminiumnitrid mit
einer geringeren Dicke gefertigt werden kann als ein Kern aus Siliziumnitrid,
ist es möglich, bei gleicher Außenabmessung eine
größere Dicke des keramischen Materials für
den Mantel, der das Heizelement umgibt, einzustellen. Hierdurch lässt
sich die Lebensdauer der Glühstiftkerze vergrößern,
da der Abbau des Siliziumnitrides aufgrund einer Degeneration durch
zum Beispiel Ölaschekorrosion bis zum Erreichen des Heizelementes
mehr Zeit in Anspruch nimmt.
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Ein
weiterer Vorteil der Verwendung von Siliziumnitrid als keramisches
Material für den Mantel des Glühstifts ist es,
dass Siliziumnitrid auch in Gegenwart von Luft bis hin zu Temperaturen
von ungefähr 1400°C stabil ist. Weiterhin zeichnet
sich Siliziumnitrid durch eine hohe Festigkeit aus.
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Das
Heizelement, mit dem die Glühstiftkerze aufgeheizt wird,
ist üblicherweise u-förmig ausgebildet. Das u-förmig
ausgebildete Heizelement umschließt den Kern und ist seinerseits
durch das keramische Material des Glühstiftes umschlossen.
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Üblicherweise
werden als Material für das Heizelement Wolframcarbid-haltige
Keramiken eingesetzt.
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Die
Ummantelung des Heizelementes durch das keramische Material des
Glühstiftes ist erforderlich, da insbesondere Wolframcarbid
als Bestandteil des Heizelements in Gegen wart von Luft mit dem Luftsauerstoff
reagiert, woraus ein Durchbrennen des Heizelements resultieren würde.
Dies führt zu einem irreparablen Ausfall der Glühstiftkerze.
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In
einer Ausführungsform der Erfindung ist im Kern eine Nut
ausgebildet, in der das Heizelement enthalten ist. Vorteil der Nut
ist es, dass eine ebene Oberfläche des Kerns mit darauf
enthaltenem Heizelement gewährleistet wird. Hierdurch wird
die Maßgenauigkeit zusätzlich abgesichert, da
es nicht erforderlich ist, eine dem Heizelement entsprechende Nut im
keramischen Material für den Glühstift auszuführen.
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Bei
der Verwendung von Aluminiumnitrid für den Kern und Siliziumnitrid
als keramisches Material für den Glühstift, das
den Kern umschließt, bildet sich zwischen dem keramischen
Material des Glühstiftes und dem von diesem umschlossenen
Kern eine Grenzschicht aus, die eine Verbindung des Materials des
Kerns mit dem keramischen Material des Glühstiftes bildet.
Hierdurch werden der Kern und das den Kern umgebende keramische
Material stabil miteinander verbunden. Zudem wirkt die Grenzschicht
als Gradientenwerkstoff, das heißt, dass sich Stoffeigenschaften
stetig vom Material des Kerns zum keramischen Material, das den
Kern umgibt, ändern, eine sprunghafte Änderung
tritt nicht auf. Bei Verwendung von Aluminiumnitrid für
den Kern und Siliziumnitrid als keramisches Material für
den Glühstift wird im Allgemeinen ein SiAlON aufgrund des
während der Montage in das System eingebrachten Sauerstoffanteils
ausgebildet. Dieses SiAlON bildet die Grenzschicht zwischen dem
Aluminiumnitrid des Kerns und dem den Kern umgebenden Siliziumnitrid.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer
erfindungsgemäß ausgebildeten Glühstiftkerze.
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Zur
Herstellung der Glühstiftkerze wird ein Kern aus einem
Material mit einer Durchschlagsfestigkeit von mindestens 20 kV/mm
und ein Heizelement von mindestens zwei Formteilen aus dem keramischen
Material für den Mantel des Glühstifts umschlossen.
Dieser Verbund aus Kern und Formteilen wird zu der Glühstiftkerze
gesintert. Durch das Sintern verbinden sich die Formteile und der
Kern miteinander, so dass ein stabiler Verbund entsteht. Zudem bildet
sich zwischen dem Kern und den Formteilen, die die Außenhülle
des Glühstiftes bilden, die Grenzschicht aus, so dass ein
Gradientenwerkstoff entsteht, durch den vermieden wird, dass sich
Stoffeigenschaften sprunghaft ändern.
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In
einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird das Heizelement auf die Formteile aus dem keramischen
Material für den Mantel des Glühstifts aufgedruckt.
Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass das Heizelement
auf den Kern aufgedruckt wird. Durch das Aufdrucken des Heizelementes
entweder auf den Kern oder auf die Formteile aus dem keramischen
Material für den Glühstift wird erzielt, dass
eine Verringerung des Abstandes zwischen den gegenüberliegenden
Seiten des Heizelementes während des Fertigungsprozesses
ausgeschlossen wird. Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn das Heizelement
in eine Nut aufgedruckt wird, die im Kern ausgebildet ist. Durch
die Nut im Kern wird die Maßgenauigkeit wie vorstehend
beschrieben, zusätzlich abgesichert.
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Um
zu vermeiden, dass Spannungen auftreten, werden Kern und Heizelement
vorzugsweise gleichzeitig gesintert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 einen
Querschnitt durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten
Glühstift,
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2 einen
Kern und Formteile für den Glühstift zur Herstellung
eines Glühstiftes,
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3 einen
Kern mit aufgedrucktem Heizelement,
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4 einen
Kern mit darin ausgebildeter Nut und aufgedrucktem Heizelement.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In 1 ist
ein Querschnitt durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten
Glühstift dargestellt.
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Als
Glühstift 1 wird die Spitze einer Glühstiftkerze
bezeichnet, die in einen Brennraum einer hier nicht dargestellten
Verbrennungskraftmaschine hineinragt, um eine Initialzündung
eines Kraftstoff-Luft-Gemisches zu erzielen.
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Der
erfindungsgemäß ausgebildete Glühstift 1 umfasst
einen Kern 3 aus einem Material mit einer Durchschlagsfestigkeit
von mindestens 20 kV/mm. Als Material für den Kern 3 eignen
sich zum Beispiel Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid und Siliziumcarbid.
Besonders bevorzugt als Material für den Kern 3 ist
Aluminiumnitrid. Neben einem Kern aus im We sentlichen reinem Aluminiumnitrid
ist es auch möglich, dass dem Material für den
Kern 3 zum Beispiel Seltenerdoxide zugegeben werden. Geeignete
Seltenerdoxide sind zum Beispiel Y2O3, Yb2O3,
Lu2O3 sowie Oxide
des La, Nd, Gd, und Sc. Der Anteil an Seltenerdoxiden und/oder Alkalioxiden
liegt vorzugsweise im Bereich von 0 bis 15 Gew-%.
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An
den Kern 3 schließt sich ein Heizelement 5 an.
Das Heizelement 5 ist im Allgemeinen u-förmig ausgebildet
und umfasst einen ersten Schenkel 7 sowie einen zweiten
Schenkel 9, die einander gegenüber liegend angeordnet
sind. Der erste Schenkel 7 und der zweite Schenkel 9 umschließen
den Kern 3 und werden durch diesen voneinander getrennt.
Aufgrund der hohen Durchschlagsfestigkeit des Kerns 3 wird
vermieden, dass ein Kurzschluss durch einen Spannungsübergang
vom ersten Schenkel 7 auf den zweiten Schenkel 9 oder
in entgegengesetzte Richtung entsteht.
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Das
Heizelement 5 stellt einen Widerstand dar und wird durch
Anlegen einer Spannung aufgeheizt. Das Material für das
Heizelement 5 wird üblicherweise so gewählt,
dass eine Aufheizung des Glühstiftes 1 innerhalb
kürzester Zeit auf Betriebstemperatur ermöglicht
wird. Ein geeignetes Material für das Heizmaterial 5 ist
zum Beispiel eine Wolframcarbidhaltige Keramik.
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Die
Spannungsversorgung des Heizelementes 5 zum Betrieb der
Glühstiftkerze erfolgt über elektrische Leiter 13,
die mit dem Heizelement 5 verbunden sind. Die elektrischen
Leiter 13 werden vorzugsweise über den Kern 3 zu
einem hier nicht dargestellten Stromanschluss geführt.
Als Material für die elektrischen Leiter 13 eignet
sich jedes beliebige elektrisch leitfähige Material, welches
einen geringen elektrischen Widerstand aufweist, um ein Aufheizen der
gesamten Glühstiftkerze zu vermeiden und welches einen
der Keramik ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweist, um Spannungen zu vermeiden. Geeignete Materialien für
die elektrischen Leiter 13, mit denen das Heizelement 5 verbunden ist,
ist zum Beispiel Wolframcarbid.
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Da
Wolframcarbid gegenüber dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff
nicht temperaturstabil ist, werden der Kern 3 und das Heizelement 5 von
einem Mantel 11 umschlossen. Der Mantel 11 ist
ebenfalls aus einem keramischen Material gefertigt. Hierbei ist das
keramische Material des Mantels 11 ein anderes als das
Material für den Kern 3. Dies ist insbesondere dann
erforderlich, wenn das Material für den Kern 3 nicht
gegenüber Luft stabil ist, wie dies zum Beispiel bei Aluminiumnitrid
der Fall ist. Als Material für den Mantel 11 eignen
sich zum Beispiel Siliziumnitrid oder Siliziumcarbid. Bevorzugt
ist jedoch Siliziumnitrid.
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Das
Material für den Mantel 11 wird vorzugsweise derart
ausgewählt, dass es auch bei hohen Temperaturen gegenüber
Luft stabil ist. Dies ist insbesondere deshalb erforderlich, da
im Brennraum der Verbrennungskraftmaschine ein Kraftstoff-Luft-Gemisch
enthalten ist. Der Glühstift 1 wird somit auch
Umgebungsluft ausgesetzt. In einer Ausführungsform ist
es zum Beispiel möglich, dass das keramische Material für
den Mantel 11 dotiert ist. Dies kann zum Beispiel durch
Zugabe von Seltenerdoxiden erfolgen. Geeignete Seltenerdoxide sind zum
Beispiel Y2O3, Yb2O3, Lu2O3 sowie Oxide des La, Nd, Gd, und Sc. Seltenerdoxide
werden dabei als Sinteradditive zur Erniedrigung der Eutektika eingesetzt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist der Kern 3 aus
Aluminiumnitrid gefertigt und der Mantel 11 aus Siliziumnitrid.
Vorteil dieser Materialkombination ist es, dass Aluminiumnitrid
und Siliziumnitrid eine ähnliche Wärmeausdehnung
von ungefähr 4,6·10–6 K–1 aufweisen. Vorteil der im Wesentlichen gleichen
Wärmeausdehnung ist es, dass keine Schädigung
durch eine größere Wärmeausdehnung des Kerns
oder des Mantels des Glühstiftes 1 bei Erhitzung
durch das Heizelement 5 eintritt.
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Wenn
der Kern 3 aus Aluminiumnitrid gefertigt wird und der Mantel 11 aus
Siliziumnitrid, bildet sich an der Grenzfläche 15 zwischen
Kern 3 und Mantel 11 eine Grenzschicht 17 aus.
Die Grenzschicht 17 enthält im Wesentlichen SiAlON.
Die SiAlON-Grenzschicht 17 bildet sich insbesondere dadurch
aus, dass während der Montage des Glühstiftes 1 ein
geringer Sauerstoffanteil in den Kontaktbereich zwischen Kern 3 und
Mantel 11 eingebracht wird. Die Grenzschicht 17 dient
gleichzeitig als Gradientenwerkstoff, durch den eine sprunghafte Änderung
der Werkstoffeigenschaften vermieden wird. Es wird ein stetiger Übergang
der Werkstoffeigenschaften zwischen Kern 3 und Mantel 11 erzielt.
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2 zeigt
eine Draufsicht auf Einzelteile zur Herstellung eines erfindungsgemäß ausgebildeten
Glühstiftes.
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Um
den Glühstift 1 herzustellen wird der Kern 3 von
einem ersten Formteil 19 und einem zweiten Formteil 21 umschlossen.
Bevor der Kern 3 jedoch von dem ersten Formteil 19 und
dem zweiten Formteil 21 umschlossen wird, wird das Heizelement 5 entweder
am Kern 3 oder an den Formteilen 19, 21 angelegt
oder auf den Kern 3 oder die Formteile 19, 21 aufgedruckt,
damit dieses zwischen dem Kern 3 und den Formteilen 19, 21,
die den Mantel 11 bilden, aufgenommen ist.
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Üblicherweise
wird zunächst der Kern 3 hergestellt. Dies kann
zum Beispiel durch Spritzguss oder andere Presstechniken erfolgen.
Hierdurch wird bei Herstellung eines kerami schen Kerns 3 zunächst ein
so genannter Grünkörper hergestellt. Die Festlegung
der Endkonturen des Kerns 3 kann am Grünkörper
durchgeführt werden.
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Der
Kern 3 wird anschließend zusammen mit dem Heizelement 5 von
den Formteilen 19, 21, die den Mantel 11 bilden,
umschlossen. Hierzu sind in den Formteilen 19, 21 Aussparungen 23 ausgebildet, die
der Negativform des Kerns 3 entsprechen. Die Formteile 19, 21 haben
vorzugsweise einen halbrunden Querschnitt und entsprechen somit
bereits im Wesentlichen der Form des fertigen Glühstiftes 1.
Alternativ ist es jedoch auch möglich, die Fortmeile 19, 21 quaderförmig
auszubilden und zu fügen. Nach dem Zusammenfügen
der Formteile 19, 21 um den Kern 3 und
das Heizelement 5 wird der Verbund aus Formteilen 19, 21,
Kern 3 und Heizelement 5 vorzugsweise einer Temperaturbehandlung
zum Sintern der Formteile 19, 21 zum Mantel 11 unterzogen. Nach
der Temperaturbehandlung kann die Außenfläche
des Glühstiftes 1 einer Formbehandlung durch mechanische
Bearbeitung unterzogen, um die endgültige Form des Glühstiftes 1 zu
erzielen.
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Das
Heizelement 5 ist vorzugsweise aus Wolframcarbid gefertigt
und wird vor dem Fügen der Formteile 19, 21 in
einer ersten Ausführungsform auf die Aussparung 23 in
den Formteilen 19, 21 aufgedruckt. Nach dem Fügen
ergibt sich so ein durchgehendes, u-förmiges Heizelement 5.
Vorzugsweise sollten die Teile aber als Grünkörper
schon endkonturnah bearbeitet werden.
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Bevorzugt
ist es jedoch auch möglich, das Heizelement 5 auf
den Kern 3 aufzudrucken. Dies ist in einer ersten Ausführungsform
in 3 dargestellt.
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Um
die Maßgenauigkeit des Kerns 3 zu sichern, wird
der Kern 3 zunächst zum Beispiel gepresst. Auf
den Grünkörper des Kerns 3 wird das Heizelement 5 aufgedruckt
und mit den elektrischen Leitern 13 verbunden. Die elektrischen
Leiter 13 können zum Beispiel auch auf den Kern 3 aufgedruckt
werden. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass als elektrische
Leiter 13, die auf den Kern 3 aufgelegt werden,
zum Beispiel Drähte mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten
eingesetzt werden, der ähnlich dem der Keramik ist.
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Neben
der Herstellung des Kerns 3 durch Spritzgießen
oder Formpressen ist es auch möglich, den Verbund zum Beispiel
durch Spark Plasma Sintern herzustellen. Beim Spark Plasma Sintern
werden hohe Prozessdrücke und Temperaturen mit gerichteten
Gleichstromimpulsen kombiniert. Hierbei wird das Material sehr stark
sinteraktiviert und es kann eine vollständige Verdichtung
bei hohem Druck aber vergleichsweise niedrigen Temperaturen erfolgen.
Dies erlaubt eine zuverlässige Prozesskontrolle bei der
Herstellung nanokristalliner und mikrokristalliner Werkstoffe.
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4 zeigt
einen Kern mit darauf aufgedrucktem Heizelement in einer zweiten
Ausführungsform.
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Die
in 4 dargestellte Ausführungsform unterscheidet
sich von der in 3 dargestellten Ausführungsform
dadurch, dass im Kern 3 zunächst eine Nut 25 ausgebildet
wird. Das Heizelement 5 wird in die Nut 25 gedruckt.
Auch die elektrischen Leiter 13 werden in die Nut 25 eingelegt
bzw. in die Nut 13 gedruckt. Vorteile der Nut 25 ist
es, dass das Heizelement 5 nicht auf dem Kern 3 aufliegt
und somit zu einer Erhöhung der Oberfläche führt.
Hierdurch lässt sich eine noch bessere Maßgenauigkeit
erzielen.
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Nach
dem Aufdrucken des Heizelementes 5 in die Nut 25 ist
es möglich, diese zum Beispiel mit keramischem Material
zu verschließen, um eine ebene Oberfläche 27 des
Kerns 3 zu erzielen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1768456
A [0004, 0004]