DE10129018B4 - Verfahren, Vorrichtung und Formelement zum Formen einer längsgewellten Bahn - Google Patents

Abstract

Verfahren zur kontinuierlichen Umformung einer ebenen Bahn zu einer längs gewellten Bahn, bei dem die Bahn im Umformbereich räumlich stetig geführt und verformt wird, indem jede in der Bahnmittelfläche liegende, in Transportrichtung verlaufend gedachte Linie während der Formung im Umformbereich annähernd den gleichen Weg zurücklegt, die Bahn aus dem ebenen zunächst in einen gewölbten Zustand vorgeformt und dann in eine Bahn mit gewelltem Querschnitt umgeformt wird, mit fortschreitender Formung nur die nicht am Rand liegenden Bahnlinien eine Auslenkung senkrecht zur Bahnebene erfahren, deren Maximalwert um so größer ist, je weiter die jeweilige Bahnlinie vom Rand der Bahn entfernt ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Formung der Bahnwölbung eine Formschulter verwendet wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Vorrichtung und ein Formelement zum Erzeugen längsgewellter Bahnen.
• Längsgewellte Bahnen können zur Herstellung von Bahnstrukturen verwendet werden, bei der eine Raffung der Bahn quer zur Transportrichtung eine Rolle spielt. Dies liegt sowohl bei der Erzeugung einer endgültigen Form, wie zum Beispiel bei Längswellpappe, als auch für Formungszwischenschritte, wie zum Beispiel bei der Herstellung von Wabenstrukturen, vor.
• In der Verpackungsmittelindustrie und anderen Branchen bekannt sind Bahnen mit wellenförmigem Querschnitt. Diese Querschnitte zeichnen sich durch periodisch wiederkehrende Formen aus. Solche Formen können sein: sinusförmige Linien, aus Halbkreisen zusammengesetzte Linien, aus Kreissegmenten und Geraden zusammengesetzte Linien, nur aus Geraden zusammengesetzte oder andere Linien.
• Wellenförmig geformte Bahnen werden zum Beispiel bei der Herstellung von Wellpappen eingesetzt. Die gewellte Bahn wird zumindest mit einer glatten Bahn verklebt. Der dadurch entstehende Gesamtverbund weist eine hohe Steifigkeit und Festigkeit im Verhältnis zur geringen Masse des eingesetzten Materials auf. Die Steifigkeit der Gesamtstruktur ist in Richtung der Wellenfront strukturbedingt höher als quer dazu, das heißt in Richtung der Wellennormalen.
• Die Wellung der Bahn wird nach dem Stand der Technik mittels eines Riffelwalzenpaares geformt. Die Wellenfront verläuft dabei stets quer zur Bahnlaufrichtung. Wellenpapiere weisen jedoch in Bahnlaufrichtung um bis zu 30% bessere Materialwerte als quer dazu auf. Dies ist darauf zurückzuführen, dass, bedingt durch die vorhergehenden Fertigungsstufen, die Fasern in Richtung des Bahnlaufes ausgerichtet sind.
• Die materialoptimale Festigkeit und die strukturoptimale Festigkeit können bei Querwellung nicht in Einklang gebracht werden. Dies gelänge mit einer Längswellung.
• Bei einem Längswellverfahren, bei dem mittels Formelement in die flache Bahn in Bahnlaufrichtung zunehmend Wellen eingeprägt werden, ist die gleichzeitig eintretende seitliche Einschnürung zu beachten. Dabei besteht das Problem der unebenen Umformung, das heißt der Weg einer an der Bahnkante liegenden, in Bahnlaufrichtung verlaufenden Bahnlinie ist länger als der einer weiter zur Bahnmitte liegenden. Dies führt zu Stauchungen und Dehnungen in der Bahn, die die Bahn während der Umformung falten bzw. zerreißen. Das Wellenpapier und damit die Gesamtstruktur werden unbrauchbar.
• So legen zum Beispiel bei einer Breite der flachen Bahn von einem Meter, der Breite der gewellten Bahn von 70 Zentimeter und einer Länge des Formelements von einem Meter die an den Rändern der Bahn liegenden Bahnlinien einen 1% längeren Weg zurück als die in der Bahnmitte liegenden. Die üblichen Papierbahnen können diese Dehnung bzw. Stauchung nicht ausgleichen. Sie reißen bzw. bilden Falten.
• Wird der Umformbereich in Bahnlaufrichtung über einen größeren Bereich ausgedehnt, um die damit entstehenden Dehnungen und Stauchungen des Bahnmaterials zu mindern, so wird die Ausdehnung der Umformvorrichtung zu groß, um in einer technisch realisierbaren Einrichtung zum Beispiel in eine Wellpappenanlage integriert werden zu können.
• Ebene Umformungen, das heißt, Umformungen bei denen alle in Bahnlaufrichtung verlaufenden, gedachten Bahnlinien im Umformbereich gleich lang sind, werden mittels Formschultern theoretisch realisiert. Formschultern finden beispielsweise in Schlauchbeutelmaschinen bei der Herstellung von Schläuchen aus ebenen Bahnen Anwendung. Es ist jedoch noch keine Formschulter zur Erzeugung längsgewellter Bahnen bekannt geworden.
• Vorrichtungen zum Längswellen werden schon seit längerem entworfen ( US 2 257 428 , US 2 901 951 , US 4 410 316 ). Häufig wird bei ihnen das oben erläuterte Problem der unebenen Umformung nicht beachtet. Daraus resultieren partiell hohe Dehnungen und Stauchungen in der Bahn, die zu hohen Abzugskräften, zum Knittern und zum Einreißen, wie oben beschrieben, führen.
• In US 4 410 316 aus dem Jahre 1985 wurde dieses Problem zwar erkannt, jedoch nicht tatsächlich gelöst. Es wird dort vorgeschlagen, die Bahn über einen ersten Rollenbogen um 90 Grad umzuleiten und dabei gleichzeitig für das Herausbilden von Längsfalten zu sorgen, die später die Längswellen darstellen. Je weiter die Bahn nach Passieren dieses ersten Rollenbogens gefördert wird, desto mehr laufen die einzelnen, in Längsrichtung gedachten Bahnlinien aufeinander zu und desto weiter werden die Längsfalten übereinander gefaltet. Hat die Bahn die gewünschte Breite erreicht, so wird sie über einen zweiten Rollenbogen, der denselben Radius wie der erste aufweist, um weitere 90 Grad, in die ursprüngliche Förderrichtung zurückgeleitet. Dadurch richten sich die Bahnlinien wieder parallel zueinander bei Beibehaltung der übereinanderlappenden Falten aus. Im Weiteren werden diese Falten aufgerichtet und zu Wellen umgeformt.
• Dabei ist zu kritisieren, dass hier die für das Längswellen erforderliche Bahnbreitenreduzierung und die mit der unterschiedlichen Wegdifferenz zwischen inneren und äußeren Bahnlinien verbundene Materialbeanspruchung punktuell erfolgt, und zwar beim Passieren des Rollenbogens. Diese nicht allmähliche, sondern sehr plötzliche Umformung führt zu einer sehr hohen Materialbeanspruchung. Zu große Bahnabzugskräfte sowie Risse sind die Folge.
• Bei der Lösung gemäß WO 99/47347 wird postuliert, die Länge jedes Formungspfades sei im Wesentlichen gleich zur Länge jedes benachbarten Formungspfades (S. 3, Z. 15–16). Dies ist jedoch nicht der Fall, wie sich leicht zeigen lässt. Wickelt man nämlich die in der zweiten Ebene 14 (Eintrittsebene) liegende, zu einem Bogen vorgekrümmte Bahnquerschnittslinie in die Ebene ab, so ist diese Linie in der Ebene keine Gerade, sondern vielmehr eine ebenfalls gekrümmte Linie, während die in der ersten Ebene 12 (Austrittsebene) liegende, gewellte Linie in der Ebene eine Gerade ist. Daher sind die Fasern der Bahn im Umformbereich nicht gleich lang. Hierdurch kommt es bei der Lösung gemäß WO 99/47347 zur Faltenbildung in der Bahn und schlimmstenfalls zu Rissen, die das Produkt unbrauchbar machen.
• Aus DE 20 11 802 B2 ist eine Maschine zur Erzeugung einer längsgewellten Bahn aus blattförmigem Material durch ebene Umformung bekannt. In dem Dokument wird die Wellenformung in einem Führungsbett für die Bahn beschrieben, das zwischen Eintritts- und Austrittsende wechselnd konvex oder konkav derart gestaltet ist, dass die gedachten Längslinien und die gedachten Querlinien der Bahn jeweils gleich lang sind. Als Ausgleich für die infolge Einschnürung entstehenden verschiedenen Längen der Längslinien in Bahnebene x-y wird die Bahn bereichsweise senkrecht zur Bahn, in z-Richtung ausgelenkt. Um die Geometrie dieser konvex und konkav gekrümmten Flächen zu finden, wurde der Querschnitt einer Papierbahn modellhaft im Einlaufbereich als eine Gerade und im Auslaufbereich als eine Welle fixiert. Die sich dann ergebende Form der Papierbahn wurde als die günstige Umformgeometrie postuliert. Diese Umformgeometrie ist jedoch nicht optimal. So ergibt sich nach einem dort angeführten Beispiel bei einer Bahn von 28 cm × 108 cm eine relativ hohe Abweichung in z-Richtung.
• Es ist jedoch für die Durchsetzung eines Längswellverfahrens in der Industrie sehr wichtig, bei welchem Verhältnis von Umformlänge zu Bahnbreite die Längswellung realisiert werden kann. Wollte man das Beispiel aus DE 20 11 802 B2 auf die in der Wellpappenindustrie üblichen Bahnbreiten hochrechnen, so käme man bei einer gewünschten Breite der gewellten Bahn von 2 Metern, bei einem Wellungsverhältnis von 1, 5 auf eine Bahnbreite am Einlauf von 3 Metern und bei dem Verhältnis zwischen Umformlänge und Bahnbreite von 108 cm/28 cm = 3,86 auf eine Umformlänge von 11,6 Metern. Dies ist für den Einsatz von Wellpappenanlagen viel zu lang. Notwendig wären Umformverhältnisse bis zu 1.
• In einem erst jüngst bekannt gewordenen Patent wird das Problem der unebenen Umformung wiederum nicht beachtet. Bei der Erfindung US 5 508 083 erfolgt die Ausformung der Längswellen mittels sich mit der Bahnbewegung mitdrehenden Formscheiben, die die Längswelle langsam in die Bahn eindrücken. Dabei fallt die Erfindung gegenüber dem oben zitierten Stand der Technik dahingehend zurück, dass nicht beachtet wurde, dass es sich bei dieser Ausformung der Längswellen um eine unebene Umformung handelt und keine Gegenmaßnahmen getroffen wurden, dies zu verhindern oder zu mildern. Diese Lösung hat den Nachteil, dass die Umformstrecke zur Erzeugung der Längswellen in Bahnlaufrichtung sehr lang gestaltet werden muss und damit in bestehende Wellpappenanlagen schwer integrierbar ist.
• Das Längswellen findet mitunter auch als Zwischenstufe zur Herstellung von Wabenstrukturen Anwendung. Während Wabenstrukturen aus Bahnen gewöhnlich durch Schneiden und Falzen hergestellt werden (z.B. US 5 894 044 ), sieht die Erfindung DE 197 16 637 vor, eine kontinuierlich geförderte Papierbahn in Bahnlaufrichtung seitlich zu raffen, um als Vorstufe zur eigentlichen Wabenformung eine in längsgewellte Bahn herzustellen, wobei die Längswellen trapezförmig ausgebildet sind. Da auch dies, wie oben beschrieben, eine unebene Verformung der Bahn darstellt, werden dieselben Probleme, wie hohe Bahnabzugskräfte, Risse und Falten, entstehen.
• Aus dem Stand der Technik ist kein Verfahren und keine Vorrichtung bekannt, mittels derer das kontinuierliche Längswellen gleichzeitig durch ebene Umformung und mit geringer Umformlänge – und damit industriell anwendbar – durchgeführt wird.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren, eine Vorrichtung und ein Formelement zu finden, mittels denen eine ebene, in Längsrichtung geförderte Bahn innerhalb eines relativ kurzen Umformbereichs kontinuierlich von einem geraden Bahnquerschnitt zu einer Bahn mit wellenförmigen Querschnitt umgeformt werden kann, ohne die Bahn so zu beanspruchen, dass Risse oder Falten in der Bahn entstehen.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur kontinuierlichen Umformung einer ebenen Bahn zu einer längsgewellten Bahn, bei dem die Bahn im Umformbereich räumlich stetig geführt und verformt wird, indem jede in der Bahnmittelfläche liegende, in Transportrichtung verlaufend gedachte Linie während der Formung im Umformbereich annähernd den gleichen Weg zurücklegt, die Bahn aus dem ebenen zunächst in einen gewölbten Zustand vorgeformt und dann in eine Bahn mit gewelltem Querschnitt umgeformt wird, mit fortschreitender Formung nur die nicht am Rand liegenden Bahnlinien eine Auslenkung senkrecht zur Bahnebene erfahren, deren Maximalwert um so größer ist, je weiter die jeweilige Bahnlinie vom Rand der Bahn entfernt ist, und das dadurch gekennzeichnet ist, dass zur Formung der Bahnwölbung eine Formschulter verwendet wird.
• Zur Erhaltung einer konstanten Bahnlänge wird also eine geringere Auslenkung in einer Richtung durch eine stärkere Auslenkung in einer anderen Richtung kompensiert, wodurch alle Bahnlinien im Umformbereich annähernd den gleichen Weg zurücklegen.
• Im Unterschied zum Stand der Technik nach DE 20 11 802 B2 verbleiben die an der Bahnkante liegenden Bahnlinien nahezu unausgelenkt. Idealerweise bilden sie eine Gerade zwischen Einlauf und Auslaufquerschnitt. Lediglich die weiter zur Bahnmitte liegenden Bahnlinien werden ausgelenkt.
• Für die nachfolgenden Erläuterungen gelten die folgenden, in 1 veranschaulichten Festlegungen:
  Es wird ein globales kartesisches Koordinatensystem definiert, dessen x-Richtung bei unverformter Bahn in der Richtung der größten Ausdehnung der Bahn liegt und daher mit der Transportrichtung der Bahn zusammenfällt. Die y-Achse dieses Koordinatensystems verläuft in Breitenrichtung der Bahn, d. h. quer zur Transportrichtung, und die z-Achse in der Dickenrichtung der Bahn. Der Ursprung des globalen Koordinatensystems liegt in x-Richtung am Beginn des Umformbereichs, in y-Richtung bei der halben Breite und in z-Richtung bei der halben Dicke der Bahn. Die Breite der Bahn sei b, die Dicke der Bahn sei d. Die im unverformten Zustand bei z = 0 in der x-y-Ebene liegende Fläche heißt Bahnmittelfläche. Als obere bzw. untere Bahnfläche wird die Menge aller Punkte bezeichnet, die die Bahn im unverformten Zustand in einer Ebene z = d/2 bzw. z = –d/2 parallel zur globalen x-y-Ebene begrenzen.
• Weiterhin wird für jedes infinitesimal kleine Volumenelement der Bahn ein lokales kartesisches Koordinatensystem definiert, dessen Ursprung bei z = 0 liegt und dessen Koordinatenrichtungen u,v,w im unverformten Zustand der Bahn mit den Koordinatenrichtungen x,y,z des globalen Koordinatensystems zusammenfallen. Wird die Bahn verformt, so ändert sich die Ausrichtung des lokalen gegenüber dem globalen Koordinatensystem entsprechend.
• Der Grundgedanke des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass alle gedachten Linien der Bahn während des Umformprozesses in Bahnlaufrichtung den gleichen Weg zurücklegen müssen, um Stauchungen des Materials und die daraus folgenden negativen Effekte zu verhindern. Bestimmend für die an der Umformung beteiligte Bahnlänge ist bzw. sind die durch die Einschnürung der Bahn von der Breite der unverformten Bahn zur Breite der gewellten Bahn am meisten betroffene Bahnlinie bzw. Bahnlinien. Diese Bahnlinie bzw. Bahnlinien muss bzw. müssen den weitesten Weg vom Einlauf in die Umformvorrichtung zum Umformwerkzeug zurücklegen. Bei symmetrischer Umformung sind dies die beiden am weitesten außen liegenden Bahnlinien (Bahnkanten). Bei asymmetrischer Umformung betrifft dies nur eine der beiden Bahnkanten. Die Länge dieser Bahnlinie oder Bahnlinien wird als Umformlänge bezeichnet. Erfindungsgemäß wird bei weniger von der Einschnürung betroffenen Bahnlinien die Umformlänge dadurch konstant gehalten, dass diese Bahnlinien eine Auslenkung in z-Richtung erfahren. Bei symmetrischer Umformung wird die Auslenkung umso größer, je weiter sich die Bahnlinie in der Bahnmitte befindet.
• Die Unterschiede der Bahnlinienlängen, die während der Umformung durch Auslenkung in z-Richtung auszugleichen sind, werden durch eine Wölbung der Bahn vor der oben beschriebenen Bahnformung verringert. Wölbung der Bahn bedeutet, dass die Bahn durch Biegung um die x-Achse so verformt wird, dass die von Dicke und Breite begrenzte Querschnittsfläche aus der ursprünglich rechteckigen Form in eine Bogenform überführt wird. Die Randbahnlinien liegen dann weiter in der Bahnmitte und die zur Wellenformung notwendige Einschnürung der Bahn im Umformbereich verringert sich.
• Die gewölbte Bahn kann zum Beispiel eine halbkreisförmige Krümmung des Querschnitts aufweisen, d. h. die Schnittlinie aus Bahnmittelfläche und der Einlaufquerschnittsebene des Umformbereiches ist in diesem Fall ein Kreisbogen. Andere Wölbformen sind ebenso anwendbar. Solch eine Bahnwölbung wird erfindungsgemäß durch eine Formschulter erzeugt.
• Die Umformung ist vorzugsweise so gestaltet, dass ein gleichmäßiger Übergang von der ungewellten zur gewellten Struktur erfolgt und die Bahn durch die Umformung möglichst gleichmäßig und nicht punktuell beansprucht wird. Dadurch wird die Ausbildung von Rissen und Falten in der Bahn vermieden.
• In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Bahn so verformt, dass die zunächst ebene Bahnmittelfläche zu einer doppelt gekrümmten Fläche mit nachfolgend beschriebenen Eigenschaften wird. Diese Fläche wird im folgenden Umformfläche genannt. Am Ende des Verfahrens liegt eine längsgewellte Bahn vor. Die wichtigste Eigenschaft der Umformfläche besteht darin, dass jede Bahnlinie in ihr gleiche Länge hat. Verallgemeinert lässt sich die Umformfläche folgendermaßen beschreiben:
  Die Umformfläche wird von vier Begrenzungslinien, die sich paarweise in je einem Punkt schneiden, umschlossenen. Je zwei gegenüberliegende Begrenzungslinien dieser Umformfläche sind gleich lang, so dass jedem Punkt der einen Begrenzungslinie ein Punkt der gegenüberliegenden Begrenzungslinie zugeordnet werden kann.
• Die Begrenzungslinien des einen Paares gegenüberliegender Begrenzungslinien, der Bahnkanten, sind bei symmetrischer Umformung durch Spiegelung an einer Ebene aufeinander abbildbar.
• Die Begrenzungslinien des anderen Paares gegenüberliegender Begrenzungslinien stellen je eine zumindest annähernd in je einer Ebene (Einlaufquerschnittsebene bzw. Auslaufquerschnittsebene) verlaufende Verbindung zweier in der jeweiligen Ebene liegender Punkte dar (Einlaufquerschnittslinie bzw. Auslaufquerschnittslinie). Dabei sind die Einlaufquerschnittsebene und die Auslaufquerschnittsebene zumindest annähernd parallel zueinander im Raum angeordnet und die Umformfläche erstreckt sich zwischen ihnen. Die Einlaufquerschnittslinie kann gerade oder gekrümmt sein. Die Auslaufquerschnittslinie besteht aus einer Mehrzahl aneinandergefügter, in einer Ebene liegender, gerader oder gekrümmter Teillinien. Zur Herstellung von Wellpappe ist eine Kombination von sinusförmigen Linien, aus Halbkreisen zusammengesetzten Linien, aus Kreissegmenten und Geraden zusammengesetzten Linien, nur aus Geraden zusammengesetzten oder anderen Linien zweckmäßig.
• Jede in der doppelt gekrümmten Umformfläche liegende Bahnlinie, die in der Umformfläche die kürzeste Verbindung eines Punktes der Einlaufquerschnittslinie mit dem entsprechenden Punkt der Auslaufquerschnittslinie darstellt, ist zumindest annähernd genauso lang, wie die beiden Bahnkanten. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung trifft jede einzelne dieser Bahnlinien zumindest annähernd senkrecht auf die Einlaufquerschnittsebene und die Auslaufquerschnittsebene.
• Der wesentliche Unterschied des erfindungsgemäßen Verfahrens zu den nach dem Stand der Technik bekannten besteht in der Auslenkung der im Bahninneren liegenden Bahnlinien in z-Richtung, wobei die Amplitude dieser Auslenkung von der y-Koordinate des jeweiligen Volumenelements der Bahn abhängig ist. Die infolge der Auslenkung in z-Richtung minimierten, aber unweigerlich notwendigen tangentialen Verschiebungen der infinitesimalen Bahnelemente zueinander werden dadurch minimiert, dass die Bahnkanten nicht oder nur unwesentlich in z-Richtung ausgelenkt werden. Es wurde nachgewiesen, dass bei einer Breite der flachen Bahn von einem Meter, der Breite der gewellten Bahn von 70 Zentimeter und einer Umformlänge von einem halben Meter die Dehnungen bzw. Stauchungen im vom Bahnmaterial ertragbaren Bereich bleiben. Das Verhältnis zwischen Bahnbreite am Einlauf und Umformlänge beträgt in diesem Fall 0,5. Eine derartige Umformeinrichtung entspricht also den Anforderungen zur Realisierung in industriellen Wellpappeanlagen.
• Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Umformung einer ebenen Bahn zu einer längs gewellten Bahn vorgeschlagen, in der zur Führung der umzuformenden Bahn ein oder mehrere Formelemente angebracht sind, die die Bahn bereichsweise senkrecht zur Bahnebene auslenken, wobei der durch die Formelemente definierte Umformweg aller Bahnlinien annähernd gleich lang ist, und die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Vorrichtung ein oder mehrere erfindungsgemäße Formelemente zur Führung der umzuformenden Bahn enthält und dass in Bahnlaufrichtung vor den Formelementen eine Formschulter angeordnet ist.
• In der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Bahn auf einer Vorratsrolle gespeichert. Zur Umformung eines geraden zu einem gewellten Bahnquerschnitt wird die Bahn dem formgebenden Teil der Vorrichtung im ebenen Zustand zugeführt.
• Der formgebende Teil der Vorrichtung besteht aus einer Formschulter sowie zwei Formelementen. Der Bahnantrieb erfolgt über ein zwischen Vorratsrolle und Formschulter angebrachtes Vorabzugswalzenpaar. Die Bahn läuft zwischen der Formschulter und einem Zylindersegment hindurch. Der gewölbte Teil der Bahn wird durch das Zylindersegment abgestützt.
• Bei Verwendung von Formelementen mit geradem Eintrittsquerschnitt kann auf die Wölbung der Bahn verzichtet werden und die Bahn wird im ebenen Zustand in den Umformbereich gefördert.
• Die Bahn wird anschließend durch einen von zwei Formelementen gebildeten Umformspalt hindurchgeführt. Die mit der Bahn in Kontakt stehenden Bereiche der Formelemente sind so ausgeführt, dass die durch den Spalt zwischen ihnen beförderte Bahn eine Zwangsführung erhält, bei der jede in der Bahnmittelfläche liegende, in Bahnlängsrichtung gedachte Bahnlinie im Umformbereich der Formelemente gleich lang ist. Dadurch erfolgt der Transport der Bahn durch den Spalt zwischen den Formelementen fast ohne Stauchungen oder Dehnungen des Materials. Die durch die von Null verschiedene Materialdicke hervorgerufenen Verzerrungen des Materials in den Randschichten (z ≠ 0) sind vernachlässigbar klein.
• Die Bahn verlässt das Formelement im gewellten Zustand. Der Abzug der Bahn erfolgt über ein Hauptabzugswalzenpaar, in dessen Mantelflächen bereits die Form der gewellten Bahn eingearbeitet ist.
• Die Umformung erfolgt durch beidseitig der Bahn angebrachte Formelemente.
• Diese Formelemente sind erfindungsgemäß als Festkörper ausgebildet, an denen die vorgesehene Umformkontur an der jeweiligen der Bahn zugewandten Seite so eingeprägt ist, dass sie im eingebauten Zustand eine Zwangsführung für die umzuformende Bahn bilden. Die Formelemente sind im Umformungspfad der erfindungsgemäßen Vorrichtung so angebracht, dass die beiden Seiten einander zugewandt sind, in die die Umformkontur eingeprägt ist. Dabei befindet sich zwischen den einander zugewandten Seiten der Formelemente ein Spalt, der so groß ist, dass die Bahn diesen ohne Behinderungen passieren kann, wobei die Bahn einen wellenförmigen Querschnitt erhält.
• Das erfindungsgemäße Formelement mit mindestens einer doppelt gekrümmten Funktionsfläche zur kontinuierlichen Umformung einer ebenen Bahn zu einer in Transportrichtung gewellten Bahn, wobei die Funktionsfläche von vier Begrenzungslinien, die sich paarweise in je einem Punkt schneiden, umschlossen ist, die Funktionsfläche ausgehend von einer geraden oder gewölbten Einlaufquerschnittslinie zur gewellten Auslaufquerschnittlinie eine fortschreitende Formung aufweist und jede in der Funktionsfläche liegende, von Einlaufquerschnittslinie zur Auslaufquerschnittslinie verlaufend gedachte Bahnlinie im Umformbereich annähernd die gleiche Länge hat, ist dadurch gekennzeichnet, dass mit fortschreitender Formung nur die nicht am Rand liegenden Bahnlinien eine Auslenkung senkrecht zur Bahnebene aufweisen, deren Maximalwert um so größer ist, je weiter die jeweilige Bahnlinie vom Rand der Bahn entfernt ist.
• Das erfindungsgemäße Formelement ist ein Festkörper mit mindestens einer doppelt gekrümmten Funktionsfläche. Diese wird von vier Begrenzungslinien, die sich paarweise in je einem Punkt schneiden, umschlossenen. Je zwei gegenüberliegende Begrenzungslinien dieser Funktionsfläche sind gleich lang, so dass jedem Punkt der einen Begrenzungslinie ein Punkt der gegenüberliegenden Begrenzungslinie zugeordnet werden kann.
• Die Begrenzungslinien des einen Paares P₁ gegenüberliegender Begrenzungslinien sind durch Spiegelung an einer Ebene aufeinander abbildbar.
• Die Begrenzungslinien des anderen Paares P₂ gegenüberliegender Begrenzungslinien stellen je eine zumindest annähernd in je einer Ebene verlaufende Verbindung zweier in der jeweiligen Ebene liegender Punkte dar. Dabei sind die beiden Ebenen, in denen diese beiden Begrenzungslinien liegen, zumindest annähernd parallel zueinander im Raum angeordnet und die Funktionsfläche erstreckt sich zwischen den beiden Ebenen. Eine dieser beiden Begrenzungslinien besteht aus einer Mehrzahl aneinandergefügter, in einer Ebene liegender, gerader oder gekrümmter Teillinien.
• Die konkrete Form der Funktionsflächen ergibt sich zwangsläufig aus der gewünschten Form der Umformfläche, d.h. der Form, in die die Bahnmittelfläche während der Umformung gebracht werden soll. Die Funktionsflächen sind Flächen, die die Umformfläche von jeweils einer Seite so einhüllen, dass der senkrechte Abstand von der Umformfläche zur jeweiligen Funktionsfläche in jedem Punkt konstant ist. Das Mindestmaß für diesen Abstand ist die halbe Dicke d der Bahn zuzüglich einer Zugabe für einen Luftspalt zur Reibungsreduzierung.
• Die Reibung zwischen den Formelementen und der Bahn kann erfindungsgemäß durch reibungsmindernde Maßnahmen an der Oberfläche der Formelemente oder durch konstruktive Maßnahmen verringert werden.
• Reibungsmindernde Maßnahmen an der Oberfläche können sein: Verwendung reibungsarmer Formelementmaterialien, Verwendung reibungsarmer Oberflächenbeschichtungen, Verwendung von reibungsmindernden Schmiermitteln wie zum Beispiel Luft, und die Einarbeitung reibungsmindernder Oberflächenstrukturen.
• Konstruktive reibungsmindernde Maßnahmen können sein: in die Umformkontur eingearbeitete Gleitelemente, wie zum Beispiel Kugeln, oder mit der Bahn mitlaufende Riemen. Die Formelemente können auch so ausgebildet sein, dass die Umformkontur durch die Kugeln oder die mitlaufenden Riemen selbst gebildet wird.
• Die Erzeugung des senkrecht zur Bahn gewölbten Querschnitts, zum Beispiel eines Halbkreises, mittels Formschulter erfolgt stets eben – alle Bereiche der Bahn legen während der Umformung die gleiche Wegstrecke zurück. Die Formschulter der erfindungsgemäßen Vorrichtung hat im obigen Beispiel in Bahnlaufrichtung eine Ausdehnung von weniger als einem halben Meter.
• Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Umformlänge relativ gering bleibt. Die erfindungsgemäße Längswellvorrichtung ist damit zum Beispiel in bestehende Wellpappenanlagen integrierbar. Weiterhin werden bei der Herstellung gewellter Bahnen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sowohl Falten aufgrund von Materialstauchungen als auch Risse aufgrund von Überdehnungen vermieden. Erfindungsgemäß hergestellte Bahnen besitzen eine material- und strukturoptimale Festigkeit.
• Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung lassen sich auch vorteilhaft zur Erzeugung trapezförmig läingsgewellter Bahnen als Zwischenstufe bei der Formung von Waben einsetzen.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand von Abbildungen erläutert. Dabei zeigen
• 1 Definitionen wichtiger Kenngrößen,
• 2 Beispiele möglicher Wellenprofile, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugt werden können,
• 3 beispielhaft mögliche Bahnlinienverläufe im Umformbereich,
• 4 den Verlauf ausgewählter Bahnlinien bei Umformung einer in der Einlaufquerschnittsebene ebenen Bahn zu einer Bahn mit gewelltem Bahnquerschnitt,
• 5 den Verlauf ausgewählter Bahnlinien bei Umformung einer in der Einlaufquerschnittsebene gewölbten Bahn zu einer Bahn mit gewelltem Bahnquerschnitt,
• 6 einen Querschnitt durch Formelemente und eine Bahn, wobei die mit der Bahn in Kontakt stehende Oberfläche der Formelemente ein Festkörper ist,
• 7 einen Querschnitt durch Formelemente und eine Bahn, wobei die mit der Bahn in Kontakt stehende Oberfläche der Formelemente durch in das Formelement eingelassene Kugeln gebildet wird,
• 8 einen Querschnitt durch Formelemente und eine Bahn, wobei die mit der Bahn in Kontakt stehende Oberfläche der Formelemente durch in das Formelement eingelassene Riemen gebildet wird,
• 9 eine erfindungsgemäße Bahnformvorrichtung mit Formelementen zur Umformung einer ebenen Bahn zu einer Bahn mit einem gewellten Bahnquerschnitt,
• 10 eine erfindungsgemäße Bahnformvorrichtung mit Formelementen und Formschulter zur Wölbung einer ebenen Bahn und zur anschließenden Umformung zu einer Bahn mit einem gewellten Bahnquerschnitt.
• Die in 1 dargestellten Definitionen von Koordinatensystemen und Maßen der Bahn wurden bereits in der Beschreibung des Wesens der Erfindung erläutert.
• In 2 sind Wellenprofile dargestellt, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugt werden können. Dabei handelt es sich nur um Anwendungsbeispiele, viele andere Querschnittsprofile sind darstellbar.
  Darstellung (a) zeigt ein Wellenprofil, das aus einer periodisch wiederkehrenden Anordnung von Geraden und Kreisbögen besteht und das z. B. für die Herstellung von Wellpappe geeignet ist.
  Darstellung (b) zeigt ein Profil, das dem Verlauf einer Rechteckfunktion ähnelt.
  Darstellung (c) zeigt ein Profil, das dem Verlauf einer Dreieckfunktion ähnelt.
  Darstellung (d) zeigt ein Profil, das in beliebiger Reihenfolge aus Geraden und Kreisbögen zusammengesetzt wurde. Solche Anordnungen können regellos oder periodisch weitergeführt werden.
• 3 zeigt beispielhaft mögliche Bahnlinienverläufe im Umformbereich. Vorteilhaft für einen behinderungsfreien Materialfluss und damit für die komplikationslose Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Bahnlinienverläufe, deren Anstieg im Bereich von Einlaufquerschnittsebene und Auslaufquerschnittsebene Null ist, so dass die Bahn diese Ebenen auf ihrer ganzen Breite senkrecht schneidet. Hierfür sind viele konkrete Ausgestaltungen möglich. Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung von Polynomen erwiesen, die so in den Umformbereich gelegt werden, dass ihr Anstieg an den Durchstoßpunkten durch die Einlaufquerschnittsebene und Auslaufquerschnittsebene Null ist.
• In 4 ist ein erstes Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren dargestellt. Dabei wird die umzuformende Bahn dem Umformbereich eben zugeführt. Die Bahn läuft eben und senkrecht zur Einlaufquerschnittsebene (1) in den Umformbereich ein. Die Einlaufquerschnittsebene liegt parallel zur y-z-Ebene des globalen Koordinatensystems. Die Bahnmittelfläche verläuft in diesem Bereich parallel zur x-y-Ebene des globalen Koordinatensystems. Die Schnittlinie zwischen Einlaufquerschnittsebene und Bahnmittelfläche ist eine Gerade. Sie wird Einlaufquerschnittslinie (2) genannt.
• Die Bahn durchläuft die Querschnittsebenen (7) mit den Querschnittslinien (8) und erfährt dabei eine zunehmende Formung. Am Ende des Umformbereichs tritt die fertig umgeformte Bahn senkrecht durch die parallel zur Einlaufquerschnittsebene liegende Auslaufquerschnittsebene (3) mit der Einschnürung (92) aus dem Umformbereich heraus. Die Schnittlinie zwischen Auslaufquerschnittsebene (3) und Bahnmittelfläche entspricht dem Wellenprofil, das der Bahn einzuprägen war. Sie wird Auslaufquerschnittslinie (4) genannt. Die Auslaufquerschnittslinie (4) ist eine sinusförmige Linie.
• Die in der Figur dargestellten Bahnlinien (5) sind diejenigen Linien in der Bahn, die in den Nulldurchgängen (auf der Antimetrieachse) der sinusförmigen Auslaufquerschnittslinie (4) liegen, d. h. die in der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Einlaufquerschnittsebene 1 und die Auslaufquerschnittsebene (3) mit der gleichen z-Koordinate durchstoßen. Hierdurch kann ein besonders störungsfreier Materialfluss erzielt werden.
• In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die Einlaufquerschnittslinie und die Antimetrieachse der Auslaufquerschnittslinie (4) unterschiedliche z-Koordinaten auf. Dadurch kann die horizontale Länge des Umformbereichs reduziert werden.
• Die äußersten Bahnlinien sind die Bahnkanten (6). Sie sind am stärksten von der Verringerung der y-Ausdehnung (Einschnürung 92) der Bahn im Umformbereich betroffen. Erfindungsgemäß haben die Bahnkanten (6) im gesamten Umformbereich eine konstante z-Koordinate. Alle anderen Bahnlinien hätten bei ebenfalls konstanter z-Koordinate zwischen Einlaufquerschnittsebene (1) und Auslaufquerschnittsebene (4) eine geringere Länge als die Bahnkanten (6). Daher werden diese Bahnlinien nach dem erfindungsgemäßen Verfahren im Umformbereich in z-Richtung ausgelenkt, und zwar umso stärker, je weniger sie von der Einschnürung betroffen sind. Aufgrund der Symmetrie der Umformung in der bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Bahnlinien (5) umso stärker auszulenken, je weiter sie zur Mitte der Bahn (y = 0) hin liegen.
• In der bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Auslenkung aller Bahnlinien (5) nach einem Polynom fünfter Ordnung, das so gelegt wird, dass sein Anstieg an den Durchstoßpunkten durch die Einlaufquerschnittsebene und Auslaufquerschnittsebene Null ist und dessen Amplitude von der y-Koordinate der jeweiligen Bahnlinie in der Einlaufquerschnittsebene abhängig ist, so dass die z-Auslenkung der Bahnkanten auf der ganzen Länge des Umformbereichs Null ist, während die in der Mitte der Bahn liegende Bahnlinie die jeweils größte Auslenkung erfährt.
• 5 zeigt die perspektivische Ansicht einer Bahn im Umformbereich, die von einer geraden Einlaufquerschnittslinie (2) in eine gewölbte und dann in eine wellenförmige Auslaufquerschnittslinie (4) umgeformt wird. Die Bahn läuft im ebenen Zustand in eine Formschulter ein und durchläuft die Querschnittslinien (81). Im gewölbten Zustand verlasst sie die Formschulter in der Querschnittsebene (71) mit der Einschnürung (91) und läuft in den von den Formelementen gebildeten Umformbereich ein. Innerhalb des Umformbereichs erfolgt über die Querschnittslinien (82) die weitere Verjüngung der Bahn und die Formung des wellenförmigen Querschnitts. Danach verlässt die fertig geformte Bahn den Umformbereich mit einer gewellten Auslaufquerschnittslinie (4) und Einschnürung (92).
• Die Umformung im Umformbereich wird von Formelementen bewirkt, die sich an beiden Seiten der Bahn befinden und auf deren der Bahn zugewandten Seite die oben beschriebenen Umformflächen herausgearbeitet sind.
• 6 zeigt einen Querschnitt durch Formelemente und eine Bahn, wobei die mit der Bahn in Kontakt stehende Oberfläche der Formelemente ein Festkörper ist. Die Formelemente bestehen aus Unter- (12) und Oberform (13). Dazwischen befindet sich die Bahn (14). Die der Bahn zugewandten Flächen von Unter- (12) und Oberform (13) sind vorzugsweise reibungsarm gestaltet. Dies kann durch Wahl geeigneter Oberflächenmaterialien, aber auch durch Hinzufügen von Gleitmitteln, zum Beispiel Luft erreicht werden.
• 7 zeigt einen Querschnitt durch Formelemente und eine Bahn, wobei die mit der Bahn in Kontakt stehende Oberfläche der Formelemente durch in das Formelement eingelassene Kugeln (17) gebildet wird. Die Kugeln sind in einer unteren (15) und oberen (16) Schale gelagert. Die Bahn (14) steht nicht mit den Lagerschalen (15, 16) in Kontakt, sondern nur mit den Kugeln (17). Dadurch kann eine Verminderung der Reibungskräfte erreicht werden.
• 8 zeigt einen Querschnitt durch Formelemente und eine Bahn (14), wobei die mit der Bahn (14) in Kontakt stehende Oberfläche der Formelemente von Riemen (18) gebildet wird. Diese wiederum sind in einer entsprechend geformten unteren (15) und oberen (16) Lagerschale gelagert. Bei dieser Variante wird eine Relativbewegung zwischen Bahn (14) und verformenden Riemen (18) weitgehend vermieden. Die Reibpaarung Riemen (18) zu Lagerschalen (15, 16) kann mit den in der Technik allgemein üblichen Mitteln reibungs- und verschleißarm gestaltet werden. Wird auf die Riemen (18) durch geeignete Mittel eine Abzugskraft geprägt, so kann die Bahn (14) damit ohne weitere Abzugsvorrichtungen durch die Umformeinrichtung transportiert werden.
• 9 zeigt eine erfindungsgemäße Bahnformvorrichtung mit Formelementen zur Umformung eines geraden zu einem gewellten Bahnquerschnitt.
• Die Bahn (14) wird auf einer Vorratsrolle (19) gespeichert, die sie im ebenen Zustand (9) verlässt. Die ebene Bahn (14) wird in ein aus unterer (15) und oberer (16) Lagerschale und Riemen (18) gebildetes Formelement geführt. Die mit der Bahn (14) in Kontakt stehenden Bereiche des Formelementes bzw. der Riemen (18) sind so ausgebildet, dass eine wie in 4 dargestellte Bahnfläche (20) entsteht. Die endlosen Riemen (18) werden über die Rückseite der unteren (15) und oberen (16) Lagerschale durch eine vordere (21) und eine hintere (22) Umlenkwalze geführt. Die hintere Umlenkwalze (22) ist angetrieben, so dass sowohl die Riemen (18) als auch die Bahn (14) durch das Formelement gezogen werden. Am Auslauf von Formelement und hinterer Umlenkwalze (22) liegt die Bahn im längs gewellten Zustand (11) vor.
• 10 zeigt eine erfindungsgemäße Bahnformvorrichtung mit Formelementen und Formschulter zur Umformung eines geraden zu einem gewölbten Bahnquerschnitt und zur Umformung des gewölbten Bahnquerschnitts in einen gewellten.
• Die Bahn (14) wird auf einer Vorratsrolle (19) gespeichert, die sie im ebenen Zustand (9) verlässt. Der Bahnantrieb erfolgt in diesem Beispiel über ein Vorabzugswalzenpaar (23). Die Bahn wird vom geraden (9) in einen gewölbten (10) Querschnitt mittels einer in 8 von der gewölbten Bahn verdeckten Formschulter umgeformt. Der gewölbte Teil der Bahn wird mittels eines Zylindersegments (25) abgestützt. Die Bahn läuft zwischen Formschulter und Zylindersegment (25) hindurch.
• Die gewölbte Bahn (10, 14) wird in diesem Beispiel durch ein aus Unter- (12) und Oberform (13) bestehendes Formelement hindurchgeführt. Die mit der Bahn (14) in Kontakt stehenden Bereiche des Formelementes sind so ausgebildet, dass eine wie in 5 dargestellte Bahnfläche (20) entsteht. Die Bahn (14) verlässt das Formelement (12, 13) im gewellten Zustand (11). Der Abzug der Bahn (14) erfolgt über ein Hauptabzugswalzenpaar (26), in dessen Mantelflächen bereits die Form der gewellten Bahn (11, 14) eingearbeitet ist.

1

Einlaufquerschnittsebene

2

Einlaufquerschnittslinie

3

Auslaufquerschnittsebene

4

Auslaufquerschnittslinie

5

Bahnlinie

6

Bahnkante

7

Querschnittsebene

71

Querschnittsebehe am Übergang zwischen Formschulter und Formelement

8

Querschnittslinie

81

Querschnittslinie an der Formschulter

82

Querschnittslinie am Formelement

9

Bahn im ebenen Zustand

91

Einschnürung durch die Formschulter

92

Einschnürung am Auslauf

10

Bahn im gewölbten Zustand

11

Bahn im längs gewellten Zustand

12

Unterform

13

Oberform

14

Bahn

15

untere Lagerschale

16

obere Lagerschale

17

Kugeln

18

Riemen

19

Vorratsrolle

20

Umformfläche

21

vordere Umlenkwalze

22

hintere Umlenkwalze

23

Vorabzugswalzenpaar

24

Formschulter

25

Zylindersegment

26

Hauptabzugswalzenpaar

Claims (8)

1. Verfahren zur kontinuierlichen Umformung einer ebenen Bahn zu einer längs gewellten Bahn, bei dem die Bahn im Umformbereich räumlich stetig geführt und verformt wird, indem jede in der Bahnmittelfläche liegende, in Transportrichtung verlaufend gedachte Linie während der Formung im Umformbereich annähernd den gleichen Weg zurücklegt, die Bahn aus dem ebenen zunächst in einen gewölbten Zustand vorgeformt und dann in eine Bahn mit gewelltem Querschnitt umgeformt wird, mit fortschreitender Formung nur die nicht am Rand liegenden Bahnlinien eine Auslenkung senkrecht zur Bahnebene erfahren, deren Maximalwert um so größer ist, je weiter die jeweilige Bahnlinie vom Rand der Bahn entfernt ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Formung der Bahnwölbung eine Formschulter verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die senkrecht zur Bahnebene erfolgende Auslenkung der Bahnlinien an jeder Stelle in der gleichen Richtung erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die senkrecht zur Bahnebene erfolgende Auslenkung der Bahnlinien etwa in der Mitte des Umformbereichs eine Richtungsumkehr erfährt.
4. Formelement mit mindestens einer doppelt gekrümmten Funktionsfläche zur kontinuierlichen Umformung einer ebenen Bahn zu einer in Transportrichtung gewellten Bahn, wobei die Funktionsfläche von vier Begrenzungslinien, die sich paarweise in je einem Punkt schneiden, umschlossen ist, die Funktionsfläche ausgehend von einer geraden oder gewölbten Einlaufquerschnittslinie zur gewellten Auslaufquerschnittlinie eine fortschreitende Formung aufweist und jede in der Funktionsfläche liegende, von Einlaufquerschnittslinie zur Auslaufquerschnittslinie verlaufend gedachte Bahnlinie im Umformbereich annähernd die gleiche Länge hat, dadurch gekennzeichnet, dass mit fortschreitender Formung nur die nicht am Rand liegenden Bahnlinien eine Auslenkung senkrecht zur Bahnebene aufweisen, deren Maximalwert um so größer ist, je weiter die jeweilige Bahnlinie vom Rand der Bahn entfernt ist.
5. Vorrichtung zur kontinuierlichen Umformung einer ebenen Bahn zu einer längs gewellten Bahn, in der zur Führung der umzuformenden Bahn ein oder mehrere Formelemente angebracht sind, die die Bahn bereichsweise senkrecht zur Bahnebene auslenken, wobei der durch die Formelemente definierte Umformweg aller Bahnlinien annähernd gleich lang ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein oder mehrere Formelemente nach Anspruch 4 zur Führung der umzuformenden Bahn enthält und dass in Bahnlaufrichtung vor den Formelementen eine Formschulter angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Formelemente als Festkörper ausgebildet sind und die vorgesehene Umformkontur an ihrer jeweiligen der Bahn zugewandten Seite bilden sowie im eingebauten Zustand eine Zwangsführung für die umzuformende Bahn bilden, wobei sich zwischen den einander zugewandten Seiten der Formelemente ein Spalt befindet, der so groß ist, dass die Bahn diesen ohne Behinderungen passieren kann.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Bahn mitlaufende Gleitelemente in die der Bahn zugewandten Kontur der Formelemente eingearbeitet sind, wie Kugeln oder mit der Bahn mitlaufende Riemen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass Kugeln oder mit der Bahn mitlaufende Riemen die Umformkontur bilden.