Die vorliegende Erfindung betrifft einen Werkstückträger umfassend wenigstens zwei Bauteilelemente, welche jeweils aus einem carbonfaserverstärkten Kohlenstoff (CFC) zusammengesetzt sind.
Werkstückträger aus CFC werden zum Stützen oder Halten von Werkstücken in Hochtemperaturumgebungen benutzt. Beispielsweise werden beim Härten oder Sintern von Werkstücken in Industrieöfen sogenannte Chargiergestelle als Träger verwendet, wobei die der Wärmebehandlung zu unterziehenden Werkstücke im einfachsten Fall auf eine Auflagefläche des Chargiergestells aufgelegt werden. Gegenüber Werkstückträgern aus Stahl zeichnen sich Werkstückträger aus CFC insbesondere durch eine erhöhte Temperaturbeständigkeit und eine bessere Formstabilität aus.
Das Zusammensetzen eines Werkstückträgers aus mehreren Bauteilelementen ist hinsichtlich der Herstellungskosten sowie der Flexibilität vorteilhaft. Insbesondere ist es dadurch möglich, komplexe Gestelle aufzubauen, welche auf die jeweilige Werkstückart- und -menge abgestimmt sind. Die einzelnen Bauteilelemente können beispielsweise mittels reibschlüssiger Verbindungselemente zusammengesteckt werden. Ein Werkstückträger für Härtegut, welcher aus vier rahmenartig zusammengesteckten CFC-Leisten aufgebaut ist, ist beispielsweise in der
Bei solchen Werkstückträgern aus zusammengesteckten CFC-Bauteilelementen besteht jedoch das Problem, dass die betreffenden reibschlüssigen Verbindungselemente, wie Führungsrippen und -nuten, mit relativ hoher Genauigkeit gefertigt werden müssen, um eine unerwünscht lockere Verbindung einerseits und ein Verklemmen der Bauteilelemente beim Zusammenstecken andererseits zu verhindern. Dies ist mit einem hohen Herstellungsaufwand verbunden. Weiterhin kann es aufgrund der hohen Temperaturen und der starken Temperaturunterschiede während eines Härt- oder Sinterprozesses zu einem Lösen der reibschlüssigen Verbindung und in der Folge zu einer unerwünschten Verformung des gesamten Werkstückträgers kommen. Um ein solches unerwünschtes Lösen zweier verbundener Bauteilelemente zu verhindern, können diese miteinander verklebt werden, was jedoch wiederum mit einem erhöhten Herstellungsaufwand einhergeht.
In der
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Werkstückträger der vorstehend genannten Art mit einfachen Mitteln derart weiterzubilden, dass ein unerwünschtes Lösen der einzelnen Bauteilelemente sicher verhindert wird.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch einen Werkstückträger mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Erfindungsgemäß sind wenigstens zwei der wenigstens zwei CFC-Bauteilelemente miteinander verrastet. Bei einer solchen Verrastung greifen wenigstens zwei entsprechende Rastverzahnungselemente formschlüssig ineinander und halten die beiden CFC-Bauteilelemente in einer definierten Raststellung fest, wobei jedoch unter Kraftaufwand ein Überwinden des Formschlusses zumindest in einer Richtung möglich ist. D.h. beim Zusammenstecken und gegebenenfalls beim Auseinanderziehen der Bauteilelemente können die erwähnten Verzahnungselemente aneinander vorbeigleiten. Bei einer solchen Rastverbindung bzw. Klickverbindung ist das Erreichen der Raststellung häufig akustisch und/oder taktil wahrnehmbar ("Einklicken" oder "Einschnappen").
Die beiden CFC-Bauteile sind also nicht nur zusammengesteckt und hierdurch reibschlüssig verbunden, sondern es besteht aufgrund der Verrastung auch eine formschlüssige Verbindung, welche die Stabilität des Gesamtbauteils erhöht und ein unerwünschtes Lockern oder Lösen der Einzelbauteile verhindert. Ein aufwändiges Verkleben ist hierbei nicht erforderlich. Aufgrund der durch den Formschluss bewirkten Erhöhung der Belastbarkeit der Verbindung kann bei der Auslegung der Bauteilelemente Material eingespart werden, wodurch die Herstellungskosten sinken.
Feste formschlüssige Verbindungen in Form von Hinterschneidungen oder Verstiftungen erfordern häufig ein kompliziertes Zusammensetzen der Bauteilelemente aus verschiedenen Richtungen und in einer genau vorgegebenen Reihenfolge. Demgegenüber ist ein Verrasten zweier Bauteilelemente besonders schnell und einfach möglich. An eine Rastverbindung sind außerdem nur vergleichweise geringe Maßhaltigkeitsanforderungen zu stellen. Somit ist es insbesondere möglich, Bausätze für Werkstückträger anzubieten, mittels welchen Endkunden individuelle Werkstückträger in Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung durch einfaches einklickendes Zusammenstecken der Einzelteile herstellen können.
Vorzugsweise ist die Verrastung der wenigstens zwei CFC-Bauteilelemente unter Überwindung eines Rastwiderstands lösbar. Der Werkstückträger kann dann bei Bedarf leicht zerlegt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beträgt die auf eines der zwei CFC-Bauteilelemente zur Überwindung des Rastwiderstands mindestens auszuübende Kraft wenigstens 10 N. Ein angepasster Rastwiderstand gewährleistet einerseits eine ausreichend hohe Sicherheit gegen ein unbeabsichtigtes Lösen der Rastverbindung und ermöglicht andererseits ein leichtes Zusammenbauen und Auseinanderbauen des Werkstückträgers. Sofern ein nachträgliches Zerlegen des Werkstückträgers nicht in Erwägung gezogen wird, kann der Rastwiderstand auch so groß ausgelegt werden, dass ein zerstörungsfreies Lösen der Verrastung praktisch nicht möglich ist.
Der Werkstückträger kann gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung auch wenigstens drei CFC-Bauteilelemente umfassen, wobei jedes der wenigstens drei CFC-Bauteilelemente mit wenigstens einem weiteren der wenigstens drei CFC-Bauteilelemente verrastet ist. Dies ermöglicht den Aufbau vergleichsweise komplexer Werkstückträger, wobei die einzelnen Bauteilelemente durch die gegenseitige Verrastung sicher zusammengehalten werden. Beispielsweise kann ein Werkstückträger zwei als Längsträger ausgestaltete CFC-Bauteilelemente umfassen, die parallel zueinander angeordnet sind und durch wenigstens ein als Querträger ausgebildetes CFC-Bauteilelement übergriffen werden, wobei der Querträger an beiden Enden jeweils mit einem der Längsträger verrastet ist. Auf diese Weise ist insbesondere der Aufbau eines rost- oder gitterartigen Werkstückträgers möglich, welcher zum Stützen einer Vielzahl von unterschiedlichen Werkstücken geeignet ist.
Um ein einfaches und zuverlässiges Halten von Werkstücken zu ermöglichen, kann an wenigstens einem der wenigstens zwei CFC-Bauteilelemente und bevorzugt an jedem der wenigstens zwei CFC-Bauteilelemente eine Auflagefläche für ein Werkstück ausgebildet sein. Sofern es die Anwendung erfordert, können jedoch auch spezielle, das zu haltende Werkstück übergreifende Fixierelemente wie Aussparungen oder Bügel an den CFC-Bauteilelementen vorgesehen sein. Ebenso kann es bei bestimmten Anwendungen vorteilhaft sein, separate Auflage- oder Halteelemente - beispielsweise aus Keramik - vorzusehen, die mit den CFC-Bauteilelementen verbunden sind.
An wenigstens einem der wenigstens zwei miteinander verrasteten CFC-Bauteilelemente kann ein Rastvorsprung vorgesehen sein, welcher in eine an einem anderen der wenigstens zwei miteinander verrasteten CFC-Bauteilelemente vorgesehene Rastaufnahme eingreift. Bei dem Rastvorsprung kann es sich um einen beliebigen Materialbereich handeln, der gegenüber einer Basisfläche des CFC-Bauteilelements, wie z.B. einer ebenen Wand, vorsteht. Je nach Anwendungsvorgabe kann ein solcher Rastvorsprung zahnartig, buckelartig oder nasenartig geformt sein. Bevorzugt ist der Rastvorsprung rampenartig ausgestaltet, um eine Auflaufschräge zum leichteren Herbeiführen der Verrastung bereitzustellen. Grundsätzlich könnte der Rastvorsprung als separates Bauteilelement ausgeführt sein. Bevorzugt ist es jedoch, wenn der Rastvorsprung direkt an das zugehörige CFC-Bauteilelement angeformt ist.
Es kann vorgesehen sein, dass der Rastvorsprung um einen Abstand zwischen 0,05 mm und 1,5 mm, bevorzugt zwischen 0,1 mm und 0,7 mm und besonders bevorzugt zwischen 0,2 mm und 0,4 mm gegenüber der Basisfläche des zugehörigen CFC-Bauteilelements vorsteht. Derartige Abstände haben sich dahingehend als besonders günstig erwiesen, dass einerseits eine sichere Rastverbindung gewährleistet ist und andererseits ein leichtes Einrasten oder Einklicken des einen CFC-Bauteilelements in das andere CFC-Bauteilelement möglich ist.
Gemäß der Erfindung ist an jedem der wenigstens zwei miteinander verrasteten CFC-Bauteilelemente sowohl ein Rastvorsprung als auch eine Rastaufnahme vorgesehen, wobei die Rastvorsprünge und die Rastaufnahmen jeweils zweier miteinander verrasteter CFC-Bauteilelemente wechselseitig in Eingriff stehen. Hierdurch wird die Konstruktion des Werkstückträgers vereinfacht. Insbesondere muss beim Zusammenbau nicht darauf geachtet werden, dass eine ausreichende Anzahl an CFC-Bauteilelementen mit Rastvorsprung sowie an CFC-Bauteilelementen mit Rastaufnahme zur Verfügung steht, da stets für jeden Rastvorsprung eine Rastaufnahme bereitsteht. Auf diese Weise ist der Aufbau unterschiedlicher Werkstückträger aus einem beschränkten Satz von Grundelementen im Sinne eines Baukastensystems möglich.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass die wenigstens zwei CFC-Bauteilelemente zum Verrasten entlang einer Einsteckrichtung zusammensteckbar sind, wobei der Rastvorsprung und die Rastaufnahme jedes der wenigstens zwei CFC-Bauteilelemente bezüglich der Einsteckrichtung hintereinander angeordnet sind. Beim Zusammenführen der CFC-Bauteilelemente entlang der Einsteckrichtung gelangt somit der Rastvorsprung des einen CFC-Bauteilelements automatisch in die Rastaufnahme des anderen CFC-Bauteilelements und umgekehrt, sodass ein besonders einfaches Einrasten möglich ist.
Wenigstens eines der wenigstens zwei miteinander verrasteten CFC-Bauteilelemente kann eine Nut zum Aufnehmen eines Einsteckabschnitts des jeweils anderen CFC-Bauteilelements aufweisen, wobei der Rastvorsprung von einer Seitenwand der Nut absteht. Der Einsteckabschnitt kann ein beliebiger Bereich des betreffenden CFC-Bauteilelements sein, dessen Breite an die Breite der Nut angepasst ist. Die Nut dient dann einerseits als Führung für das einzusteckende CFC-Bauteilelement und stellt andererseits den zum Verrasten dienenden Rastvorsprung bereit.
Es können auch von zwei einander gegenüberliegenden Seitenwänden der Nut jeweilige Rastvorsprünge abstehen. Dadurch kann die Stabilität der Rastverbindung erhöht werden.
Gemäß einer konkreten Ausgestaltung der Erfindung sind die wenigstens zwei miteinander verrasteten CFC-Bauteilelemente plattenartig ausgebildet und weisen jeweils wenigstens eine Nut auf, wobei die Nuten wechselseitig ineinandergreifen. Solche CFC-Bauteilelemente sind relativ leicht herstellbar und eignen sich insbesondere zum Aufbau gitterartiger Chargiergestelle.
Die Nut kann insbesondere einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Dies ermöglicht eine besonders einfache Herstellung.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass wenigstens eines der wenigstens zwei miteinander verrasteten CFC-Bauteilelemente und vorzugsweise jedes der wenigstens zwei miteinander verrasteten CFC-Bauteilelemente wenigstens drei voneinander beabstandete Nuten zum Aufnehmen eines Einsteckabschnitts eines anderen CFC-Bauteilelements aufweist. Hierdurch kann die Flexibilität beim Aufbau eines anwendungsbezogenen Werkstückträgers weiter gesteigert werden.
Es kann vorgesehen sein, dass in wenigstens einer Seitenwand der Nut zwei parallele und zueinander beabstandete Rillen ausgebildet sind, zwischen denen sich der, insbesondere plateau- oder buckelartige, Rastvorsprung erstreckt. Eine derartige Ausgestaltung des Rastvorsprungs hat sich hinsichtlich einer leichten Verrastbarkeit als vorteilhaft herausgestellt.
Die Rillen können einen abgerundeten Querschnitt aufweisen, wobei der Krümmungsradius der Rundung wenigstens 0,1 mm und bevorzugt wenigstens 0,3 mm beträgt.
Weiterhin kann in wenigstens einer Seitenwand der Nut ein rampenartiger Rastvorsprung und eine zu diesem benachbarte Rille ausgebildet sein. Die Rille erleichtert das Einrasten oder Einklicken des Rastvorsprungs in die zugehörige Rastaufnahme.
Vorzugsweise sind die wenigstens zwei CFC-Bauteilelemente jeweils aus einem carbonfaserverstärkten Kohlenstoff zusammengesetzt, welcher carbonisierte und/oder graphitierte Poylacrylnitrilfasern umfasst. Mit derartigen Fasern wurden besonders gute Ergebnisse erzielt.
Ferner ist es bevorzugt, dass die wenigstens zwei CFC-Bauteilelemente jeweils aus einem mit Carbonendlosfasern, Carbonschnittfasern und/oder streckgerissenen Fasern verstärkten Kohlenstoff zusammengesetzt sind.
Hinsichtlich der Faserdicke ist es bevorzugt, dass die wenigstens zwei CFC-Bauteilelemente jeweils aus einem carbonfaserverstärkten Kohlenstoff zusammengesetzt sind, welcher Carbonfasern mit einem durchschnittlichen Durchmesser zwischen 5 µm und 10 µm umfasst. Als besonders günstiger Wert hat sich ein durchschnittlicher Durchmesser der Carbonfasern von etwa 7 µm erwiesen.
In Bezug auf den Faseranteil der CFC-Bauteilelemente hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass die wenigstens zwei CFC-Bauteilelemente jeweils aus einem carbonfaserverstärkten Kohlenstoff zusammengesetzt sind, der wenigstens 30 Vol.-%, bevorzugt wenigstens 50 Vol.-% und besonders bevorzugt wenigstens 70 Vol.-% an Carbonfasern umfasst.
Um einen sicheren Einsatz des Werkstückträgers beim Härten oder Sintern zu gewährleisten, ist es bevorzugt, dass die wenigstens zwei CFC-Bauteilelemente eine Temperaturbeständigkeit von wenigstens 1.500°C und bevorzugt von wenigstens 2.500°C aufweisen.
Der Werkstückträger kann ausschließlich aus, vorzugsweise gleichartigen, CFC-Bauteilelementen zusammengesetzt sein. Dies ermöglicht eine besonders kostengünstige Herstellung.
Vorzugsweise weist der Werkstückträger eine Größe (BxLxH) von wenigstens 50 mm x 50 mm x 10 mm, bevorzugt von wenigstens 100 mm x 100 mm x 10 mm und besonders bevorzugt von wenigstens 300 mm x 300 mm x 20 mm, wie beispielsweise von 1.200 mm x 1.200 mm x 50 mm, auf. Werkstückträger von dieser Größe werden üblicherweise als Chargiergestelle beim Härten oder Sintern von Bauteilen verwendet.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines zuvor beschriebenen Werkstückträgers als Chargiergestell in einer Hochtemperaturumgebung.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von diese erläuternden, diese aber nicht einschränkenden Beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter beschrieben.
Das in der
Wie dargestellt ist das CFC-Bauteilelement 11 in Form einer länglichen Leiste ausgestaltet und weist eine Längsachse L auf. Vier Nuten 13 mit rechteckigem Querschnitt sind entlang der Längsachse L zueinander beabstandet in dem CFC-Bauteilelement 11 ausgebildet. Die Breite B jeder Nut entspricht der in der
Wie insbesondere aus der vergrößerten Darstellung gemäß der
Unter Verwendung der Nuten 13, der Aussparungen 15 und der Rastbuckel 20 können jeweils zwei gemäß der
Das Zusammenbauen eines Werkstückträgers durch Verrasten der CFC-Bauteilelemente 11 ist einfach und erfordert keine besonderen Kenntnisse. Es kann daher auch von einem jeweiligen Endkunden durchgeführt werden, während der Hersteller der Werkstückträger lediglich einen Satz von CFC-Bauteilelementen 11 zum individuellen Zusammenstecken als Bausatz bereitstellt. Ein besonderer Vorteil des dargestellten Systems besteht darin, dass keine Hinterschneidungen vorliegen, welche bei der Montage das Berücksichtigen unterschiedlicher Einsteckrichtungen und das Einhalten einer bestimmten Reihenfolge beim Zusammensetzen erfordern. Es sind auch weder Verklebungen noch separate Befestigungselemente wie Zapfen oder Stifte notwendig, da die Stabilität des CFC-Bauteilelement-Verbunds durch die Verrastungen gewährleistet ist.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in der
Im Vergleich zu einem rein reibschlüssigen Ineinanderstecken der CFC-Bauteilelemente 11 ermöglicht die Verrastung nicht nur eine höhere Stabilität, sondern auch einen vereinfachten Zusammenbau.
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