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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum dreidimensional wellenförmigen Strukturieren
von dünnwandigen
Materialbahnen oder Blechteilen oder Folienabschnitten, wobei wulstförmige Teilflächen eine kalottenförmige Teilfläche umgeben
und Verwendung insbesondere für
formsteife und körperschallarme Leichtbauteile
mit geringem Gewicht, gleichmässiger Stossenergieabsorption,
hoher Dauerfestigkeit bei Schwingungs- und Temperaturwechselbelastungen sowie
für diffuse,
blendfreie Lichtstreuung und Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens.
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Beim
effektiven Leichtbau, insbesondere in der Automobil-, Luft- und
Raumfahrtindustrie, im Raumausstattungs-, Bau- und Designbereich
sowie bei Hausgeräten
und Apparaten werden immer komlexere Anforderungen an die Konstruktion
und an den Werkstoff gestellt. Beispiele hierfür sind insbesondere geringes
Transport- und Montagegewicht, grosse Umformreserven des Werkstoffs,
ein geringer Körperschall,
eine hohe Langzeit-Dauerschwingfestigkeit, eine gleichmässige Energieabsorption
beim Crash und schiesslich eine hohe Stabilität bei Temperaturwechselbelastungen
(bei thermischer Ausdehnungsbehinderung). Aus ökonomischen und ökologischen
Gründen
soll das alles ressorcenschonend (Werkstoffe, Beschichtsmaterialien,
Energie) mit möglichst
einfachen Maschinen erreicht werden. Diese angestrebten Merkmale
führen
zu ganz unterschiedlichen und häufig
sogar widersprechenden Anforderungen an die verwendeten Materialen
und an die zu versteifende Leichbaukonstruktion. Hierbei spielen
die mehrdimensional versteifenden Strukturen dünner Materialbahnen eine ganz
besondere Rolle, weil sie dem Bauteil trotz reduzierter Wanddicke
eine hohe Steifigkeit und günstige
akustische Eigenschaften verleihen.
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Es
sind zahlreiche Verfahren bekannt, um eine dünne Materialbahn, wie Blech
oder auch Kunststofffolie, mit versteifenden Strukturen zu versehen. Um
die Biege- und Beulsteifigkeit von Bauteilen zu verbessern, sind
mechanisch strukturierte Materialien, beispielsweise genoppte Bleche,
bekannt. Diese rein mechanisch strukturierten Materialien erfordern jedoch
hohe Plastifizierungsreserven des Ausgangswerkstoffs, da beim Strukturieren
mit Hilfe von mechanischen Form- und Prägewerkzeugen eine große Plastifizierung
des Werkstoffes auftritt. Ferner ist das Versteifen durch eine Sicke
bekannt, die dem Bauteil jedoch nur in einer Richtung eine erhöhte Steifigkeit verleiht.
Senkrecht dazu bleibt das Bauteil biege-, schub- und torsionsweich.
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Da
beulstrukturierte Materialien vorzugsweise auf der Basis eines selbstorganisierten
Strukturierungsprozesses aus einer gekrümmten Gestalt heraus hergestellt
werden (beschrieben in
EP
0 693 008 B1 ), lassen sich dünnwandige Bleche und Folien
erheblich werkstoff- und oberflächenschonender
mehrdimensional strukturieren als die rein mechanischen Prägeverfahren
(
DE 198 56 236 A1 ).
Diese beulstrukturierten Materialien werden dann in einem speziellen
Richtverfahren, bei dem die Strukturen vollkommen erhalten bleiben,
in die ebene Gestalt übergeführt (
DE 198 56 236 A1 ).
Die so erzeugten mehrdimensionalen Beulstrukturen werden auch „Wölbstrukturen" genannt.
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Diese
beul- bzw. wölbstrukturierten
Materialien besitzen jedoch noch gravierende Nachteile, wenn die
anfangs genannten kompexen, häufig
sich auch widersprechenden Anforderungen erfüllt werden sollen. Diese Nachteile
sind: Selbstverständlich besitzen
die Falten der beul- bzw. wölbstrukturierter Materialien
nur kleine Biegeradien. Dort ist der Werkstoff erheblich mehr umgeformt,
und deshalb ist der Werkstoff im Bereich der Falten vergleichsweise hoch
plastifiziert. Weil die Falten stets schmal sind und deshalb nur
einen sehr geringen Flächenanteil einnehmen
und trotzdem ganz wesentlich zur Formsteifigkeit des strukturierten
Materials beitragen, wird der Werkstoff im Bereich der Falten im
Belastungsfall des strukturierten Bauteils vergleichsweise sehr
hoch beansprucht. Dabei nehmen die Mulden den weitaus grössten Teil
der Fläche
der Materialbahn ein und werden im Belastungsfall nur sehr wenig
deformiert, weil die Mulde als dreidimensionale Schale ganz besonders
formsteif ist. Diesen Zusammenhang kann man sich etwas vereinfacht
so vorstellen, indem man die schmalen Falten als biegeweiche "Scharniere" und die Mulde als
sehr formsteife Elemente auffasst. Daraus folgt unmittelbar, dass
die Falten die Gefahr einer "Sollbruchstelle" bei hoher statischer
Belastung, bei Dauerschwingbelastung, bei Temperaturwechselbelastung
und im Crashfall darstellen. Ein weiterer Nachteil besteht darin,
dass die Mulden bzw. Wölbungen
der beul- bzw. wölbstrukturierten
Materialbahn, insbesondere bei grossen Strukturmulden, keine gleichmässige und
keine kugelflächenartige Krümmung aufweisen.
Stattdessen besitzen beispielsweise die Mulden der bekannten Beul-
bzw. Wölbstrukturen
im angrenzenden Bereich ihrer Falten sehr ungleichmässig ausgeprägte Krümmungen, weil
der geometrische Übergang
von den schmalen Falten eines Hexagons zur eingeschlossenen Mulde unvermeidliche,
störende Übergänge hervorrufen. Das
führt insbesondere
bei grösseren
Hexagon-Strukturen zu störenden
geometrischen Inhomogenitäten
und zu einer Abflachung der Krümmung
in der Mitte der Mulde. Insbesondere in der Lichttechnik ist das
unerwünscht,
weil hierduch keine gleichmässige
(d.h. richtungsunabhängige)
und blendfreie Lichtreflexion an den Reflektoren der Leuchten zu realisieren
ist. Ferner besteht ein ganz gravierender Nachteil der bekannten
Beul- bzw. Wölbstrukturen darin,
dass trotz der grossen Palstifizierungsreserven im Bereich ihrer
Mulden eine grosse Strukturtiefe der Beul- bzw. Wölbstruktur
für eine
optimale Formsteifigkeit nicht zu erzielen ist, ohne dass man Gefahr läuft, dass
der Werkstoff im Bereich der beträchtlich plastifizierten Falte
bei der Strukturierung selbst oder bei der späteren Bauteilbelastung reisst.
Das bedeutet also, dass die grossen Plastifizierungsreserven, die
noch in den Mulden steckten, bisher noch gar nicht genutzt werden
können,
um grosse Strukturtiefen und hohe Bauteilsteifigkeiten zu erzeugen.
Das gelingt auch nicht mit Hilfe der bekannten Stützstrukturen,
die an ihren Stützflanken
eine Evolvente besitzt (
EP 0888208 ),
weil auch hierbei Strukturfalten entstehen, die noch störende geometrische Übergänge von
den schmalen Falten zu den eingeschlossenen Mulden aufweisen. Es
war bisher auch nicht möglich,
konkret anzugeben, wie eine solche Evolvente optimal geometrisch
gestaltet werden soll. Schliesslich besteht ein Nachteil des beul-
bzw. wölbstrukturierten
Materials darin, dass die beulstrukturierte Materialbahn nach dem
Strukturieren aus ihrer gekrümmten
Gestalt noch in die ebene Form gerichtet werden muss und dabei insbesondere
die Falten (in Richtung der Materialbahn), die bereits beim beim
Beulstrukturieren überproportional
plastifiziert wurden, durch das Richten noch weiter plastifiziert werden.
Die Ursache hierfür
sind insbesondere:
Da sich die Falten der gekrümmten Materialbahn beim
Beulstrukturieren aussen (d.h. grösserer Radius) und sich die
Mulden innen (d.h. kleinerer Radius) anordnen, werden die Falten
(in Richtung der Materialbahn) beim Richten gestaucht und die Mulden
gedehnt. Da jedoch die Falten nur eine sehr geringe Teilfläche der
beulstrukturierten Materialbahn im Vergleich zur Mulde einnehmen,
werden die Falten beim Richten überproportional
belastet und dabei hoch plastifiziert.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dreidimensional versteifende
Strukturen zu erzeugen, mit deren Hilfe es gelingt, diese Nachteile
zu beseitigen. Das soll insbesondere dadurch geschehen, dass die
Nachteile der bisher erheblich zu schmalen und deshalb auch zu stark
plastifizierten Falten überwunden
werden. Ferner sollen gleichzeitig die versteifenden Mulden oder
Erhebungen eine gleichmäßigere Krümmung und
auch eine grössere
Strukturtiefe erhalten als bisher. Ferner soll auch beim Richten
der strukturierten Materialbahn in die ebene Form der Werkstoff
mehr als bisher geschont werden. Ferner sollen die dreidimensional
strukturierten Materialbahnen als versteifende und stoßenergieabsorbierende
Verstärkungsschale
oder als Sandwich für
eine Motorhaube oder für
Heckklappen oder für
Kotflügel oder
für Seitenteile
und Trennwände
oder für
Bodenteile oder Dächer
im Fahrzeugbereich oder in der Luft- und Raumfahrt oder als kompensatorisch
wirkende Elemente bei thermischer Ausdehnungsbehinderung oder als
Dosen oder Kunststoffflaschen oder für eine breite, diffuse oder
gerichtete, diffuse Lichtreflexion verwendet werden können. Schließlich soll eine
Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens angegeben werden.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch ein Verfahren nach dem Hauptanspruch und durch
Verwendung der dreidimensional strukturierten Materialbahn nach
den Ansprüchen
8 bis 11 und durch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 12
bis 15. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand
der Unteransprüche
2 bis 7.
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Es
wurde überraschenderweise
gefunden, dass anstatt der bisherigen schmalen Falten, die aus einem
dynamischen Beulprozess einer gekrümmten Materialbahn entstehen,
mehrdimensional wellenförmige
Strukturen werkstoffschonend erzeugt werden, wobei wulstförmige Teilflächen jeweils
eine kalottenförmige
Teilfläche
einschliessen. Dabei sind die Wülste
der Materialbahn deutlich breiter und erheblich weniger plastifiziert
als die bekannten Falten der Beul- bzw. Wölbstrukturen. Die Wülste sind
vorzugsweise hexagonal angeordnet und schliessen jeweils eine kalottenförmige Teilfläche mit
gleichmässiger Krümmung ein.
Die Wülste
können
aber auch dreieckig, viereckig, fünfeckig oder achteckig angeordnet sein.
Bei hexagonal angeordneten Wülsten
erhält
die eingeschlossene Kalotte aus Symmetriegründen eine vorteilhafte, nahezu
kugelförmige
Gestalt. Weil die Kalotte eine entgegengesetzte Krümmung besitzt wie
die Wülste,
ergibt sich quasi ein mehrdimensionaler Wellenzug in unterschiedlichen
Richtungen der so strukturierten Materialbahn. Deshalb wird diese Art
der Strukturierung mit mehrdimensional wellenförmiger Strukturierung bezeichnet.
Nach der Erfindung entstehen diese wulstförmigen Teilflächen mit ihrem
sanften Übergang
zu der Kalotte besonders werkstoffschonend mit Hilfe einer quasi
freien Verformung der Materialbahn dadurch, dass man zwischen einer
gekrümmten
Materialbahn und den Stützelementen
zusätzlich
eine elastische Zwischenlage anordnet und dann diese Materialbahn
von aussen mit Druck beaufschlagt. Diese elastische Zwischenlage hat
eine andere Funktion als die bekannte elastische Materialschicht
(
EP 0 900 131 ). Die
in
EP 0 900 131 beschriebene
elastische Materialschicht ist ausschliesslich dafür bestimmt,
dass unerwünschte
mechanische Abdrücke
der Stützelemente
in einer oberflächenempfindlichen
Materialbahn abgefedert werden und dass sich ferner vorzugsweise
sechseckige Beulstrukturen quasi von selbst bilden, wenn eine Materialbahn
gegen einen Kern mit viereckigen Stützelementen gedrückt wird.
In der
EP 0 900 131 wird darauf
hingewiesen, dass sich durch die elastische Materialschicht erheblich
flachere Beulstrukturen ergeben als ohne diese zusätzliche
elastische Materialschicht. In dem neuen Verfahren nimmt die elastische Zwischenlage,
die vorzugsweise erheblich dicker ist und eine grössere Shore-Härte aufweist,
eine ganz andere Funktion wahr und ergibt deshalb auch andere Effekte.
Dieses neue Strukturierungsverfahren ist erheblich komplexer, wobei
der Werkstoff erheblich gleichmässiger
und schonender deformiert wird und deshalb sogar erheblich tiefere
Strukturen in der Materialbahn erzeugt werden können, ohne dass der Werkstoff
dabei reisst. Im Folgenden werden die Effekte nach der Erfindung
im einzelnen näher
erläutert.
Hierzu werden die Unterschiede zwischen dem bekannten Beul- bzw.
Wölbstrukturierungsverfahren und
dem neuen Verfahren mit Hilfe eines anschaulichen, vereinfachten
Beispiels (als Näherungsmodell) deutlich
gemacht:
Beim bekannten Beul- bzw. Wölbstrukturierungsverfahren
entstehen in der gekrümmten
und von innen partiell abgestützten
Materialbahn bei einer geringen äußeren Druckbelastung
zunächst
(d.h. zu Beginn im elastischen Werkstoffverhalten der Materialbahn)
sinusförmig
umlaufende Strukturwellen, die nur eine sehr kleine Amplitude besitzen.
Wird dann die äussere
Druckbelastung gegen die gekrümmte
Materialbahn erhöht,
entsteht dann ein instabiler Zustand, der einen dynamischen Durchschlag
(spontanes Einbeulen) im elastisch-plastischen Werkstoffverhalten der Materialbahn
auslöst.
Dieser komplexe Vorgang lässt sich
durch die nicht-linearen Gesetze der Mechanik (nicht-lineare geometrische
Krümmung
von Schalen), der Thermodynamik und des Werkstoffes (nicht-lineare,
elastisch-plastische Fliesskurve), weit weg vom Gleichgewichtszustand,
beschreiben. Man kann diese, sich selbst organisierenden, Beulstrukturen
den sogenannten "dissipativen
Strukturen" (Literatur:
siehe beispielsweise Publikationen von Prigogine und Nicolis) zuordnen.
Hierbei ist nun im Fall des Beulstrukturierens zu beachten, dass
die kinetische Energie (beim dynamischen Durchschlag der gekrümmten Materialbahn
in ihre Gegenkrümmung/Beule)
grösstenteils
in Pastifizierungsenergie (Wärme)
der sich bildenden Beulfalten umgewandelt wird. Das entsteht insbesondere
dadurch, dass die durchschlagende Beulschale quasi wie eine Art "Hebel" an der entstehenden
Falte wirkt und sich dadurch eine Beulfalte mit sehr kleinem Radius
bei erheblicher Plastifizierung des Werkstoffes ausbildet. Durch
diesen dynamischen Durchschlag des spontanen Beulens entsteht aus
der ursprünglich
sinusförmig
umlaufenden Welle (mit sehr kleinen Amplituden) eine Art "Girlandenwelle", die sich aus aneinander gereihten
Cosinus-Halbwellen (entsprechend aneinander gereihten Beulmulden)
zusammensetzt. Dabei hat sich jeweils eine obere Halbwelle der ursprünglichen
Sinuswelle nach dem dynamischen Durchschlag zusammengezogen, so
das daraus jeweils eine einzelne Beulfalte entsteht. Auf diese Weise wird
die Wellenlänge
der entstandene unteren Cosinus-Halbwelle (Beulmulde) grösser und
erhält
so die doppelte Länge
gegenüber
der früheren
unteren Sinuswelle (vor dem Durchschlag). Diese Vorgang wird später in
3 anschaulich
dargestellt.
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Experimente
haben überraschenderweise ergeben,
dass sich die Nachteile dieses spontanen, dynamischen Durchschlags
mit Hilfe einer zusätzlichen,
vergleichsweise dicken, elastischen Zwischenlage, die zwischen der
Innenseite der gekrümmten Materialbahn
und den vorzugsweise hexagonalen Stützelementen angeordnet ist,
beseitigen lassen. Durch diese elastische Zwischenlage wird der
dynamische Durchschlag drastisch abgeschwächt. Hierbei verformt sich
die elastische Zwischenlage im Bereich der Stützelemente quasi von selbst
in der Weise, dass das Elastomer der Zwischenlage durch die sich
quasi frei verformende und andrückende
Materialbahn jeweils im Bereich der Stützelemente so eingedrückt bzw.
eingequetscht wird, dass dieser unmittelbar neben dem Stützelement
eingedrückte
Elastomer mit diesem Stützelement
quasi ein neues, "gemeinsames" und dafür erheblich
breiteres Stützelement
als vorher ergibt. Dieses "gemeinsame" Stützelement
hat sich quasi von selbst an die sich frei verformende Materialbahn
individuell angepasst. Die Breite des "gemeinsamen" Stützelementes
kann man durch die Wandstärke
und Härte
des Elastomers der Zwischenlage variabel einstellen. Ein weiterer
Vorteil der elastomeren Zwischenlage besteht darin, dass das Elastomer
der Zwischenlage beim Andrücken
der Materialbahn nicht nur senkrecht sondern auch parallel zur Materialbahn "fliesst" und dadurch Scherkräfte zwischen
dem Elastomer und der Wandoberfläche
der Materialbahn entstehen. Diese zusätzlichen Scherkräfte bewirken
gemeinsam mit dem "gemeinsamen" breiten Stützelement,
dass sich eine breite und zugleich gleichmässig gekrümmte Wulst (im Gegensatz zur
schmalen Beulfalte beim Beul- bzw. Wölbstrukturieren) in der Materialbahn ausbildet.
Diese Wülste
in der Materialbahn sind vergleichsweise weniger plastifiziert und
können
erheblich grössere
Belastungen und Deformationen aufnehmen als die herkömmlich schmalen
Beulfalten. Die elastische Zwischenlage ergibt den weiteren wichtigen
Vorteil, dass die mehrdimensional wellenförmig strukturierte Materialbahn
unmittelbar nach dem Strukturieren nur noch eine sehr geringe Krümmung in
Richtung der Materialbahn aufweist und deshalb der anschliessende
Richtaufwand in die ebene Gestalt gering ist. Der Grund hierfür liegt
darin, dass sich durch die vorzugsweise dickere und ggf. härtere elastische
Zwischenlage die Materialbahn nicht mehr so stark um den Stützelementkern
gebogen wird und sich deshalb eher in einer nur wenig gekrümmten Gestalt
während
des Strukturierens befindet und deshalb der anschliessende Richtprozess
viel einfacher wird. Dadurch wird auch die Planlage der Materialbahn
besser. Das hat folgende Ursache. Beim bekannten Beul- bzw. Wölbstrukturieren
wird die Materialbahn eng um den Kern mit den Stützelementen gebogen und dadurch
stark gekrümmt.
Dabei erhalten die zick-zack-förmig
umlaufenden Beulfalten (in Richtung der Materialbahn) einen grösseren Umfang als
die als die Beulmulden mit den Beulfalten quer zur Richtung der
Materialbahn. Deshalb kommt es beim anschliessenden Richten zu einem
erheblichen Stauchen der zick-zack-förmig umlaufenden Beulfalten
einerseits und der quer angeordneten Beulmulden andererseits. Dadurch
entstehen erhebliche Spannungen in der Materialbahn während des
anschliessenden Richtens, die eine gute Planlage erheblich erschweren.
Dieser gravierende Nachteil wirkt sich insbesondere bei höherfesten
Materialien, wie beispielsweise beim Edelstahlfeinstblech, aus,
und dadurch ergeben sich Instabilitäten und unzureichende Planlagen
der strukturierten Materialbahn. Da bei dem neuen Strukturierungsverfahren
gemäss
der Erfindung eine starke Krümmung
während
des Strukturierens vermieden wird, ergeben sich auch bei höherfesten
Materialien, wie hochfestem Blech und sogar faserverstärkten Kunststoffen,
eine erheblich verbesserte Planlage der dreidimensional wellenförmig strukturierten
und gerichteten Materialien.
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Eine
weitere Ausgestaltung des Verfahrens gemäss der Erfindung besteht darin,
dass diejenigen Stützelemente,
welche die Wülste
quer zur Materialbahn erzeugen, etwas höher ausgeführt sind als die Stützelemente,
welche die zick zack-förmigen
Wülste (in
Richtung der Materialbahn) erzeugen. Dadurch entstehen nach der
Erfindung Wülste,
die nach dem Richten der strukturierten Materialbahn in die ebene Gestalt
eine gleiche oder zumindest nahezu gleiche Höhe der Wülste besitzen. Dadurch ergibt
sich eine verbesserte isotrope (in allen Richtungen) Biegesteifigkeit
der strukturierten Materialbahn. Diese einheitliche Höhe der Wülste der
strukturierten Materialbahn ist ohne eine partielle Überhöhung der
Stützelemente,
die quer zur Laufrichtung der Materialbahn angeordnet sind, nicht
zu erreichen, weil durch das Richten die "zick-zack-förmigen" Falten bzw. Wülste etwas
gestaucht und damit überhöht werden
und die quer zur Materialbahn erzeugten Falten bzw. Wülste etwas
gestreckt und dadurch abgeflacht werden. Die Überhöhung wird nach der Erfindung
so ausgeführt, dass
dieser nachteilige Effekt kompensiert wird und so einheitliche Wulsthöhen entstehen.
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Früher wurden
bereits auch schon für
das Beul- bzw. Wölbstrukturieren überhöhte Stützelemente
vorgeschlagen (
DE 44
37 986 A1 ). Diese konnte man jedoch in der Praxis nicht
realisieren, weil durch die vorgeschlagene partielle Überhöhung einzelner
Stützelementen
gegenüber
den anderen Stützelementen
unerwünschte
(optische störende) Unebenheiten
bei den Übergängen zwischen
den erzeugten Beulfalten nicht zu vermeiden waren. Bei dem neuen
Verfahren jedoch werden mit Hilfe der elastischen, vorzugsweise
dicken, Zwischenlage denkbare Ungleichmässigkeiten, die aus den Übergängen zwischen
den unterschiedlichen Höhen
der Stützelemente
entstehen, vollständig
ausgeglichen.
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Eine
weitere Ausgestaltung des Verfahrens gemäss der Erfindung besteht darin,
dass auf eine zusätzliche
elastische Zwischenlage dadurch verzichtet werden kann, dass die
Kontur der starren Stützelemente
dem bereits beschriebenen "gemeinsamen" Stützelement
entsprechend der sich quasi frei einstellenden geometrischen Kontur
der Wulst nachempfunden wird und dann entsprechend durch eine geometrische
Kontur der Stützelemente
angepasst wird. Das "gemeinsame" Stützelement
ergab sich, wie bereits erläutert,
aus dem ursprünglich schmalen
Stützelement
und der sich selbst einstellenden Kontur des Elastomers der zusätzlichen
Zwischenlage bei der dreidimensional wellenförmigen Strukturierung gemäss der Erfindung.
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Eine
weitere Ausgestaltung des Verfahrens gemäss der Erfindung besteht darin,
dass die dreidimensional wellenförmig
strukturierte Materialbahnen mit Hilfe einer kompletten mechanischen
Formmatrize (anstatt der bisherigen Stützelementwalze), in welche
die Konturen einer bereits dreidimensional wellenförmig strukturierten
Materialbahn mit Hilfe einer mechanischen Fertigung eingearbeitet
sind, erzeugt wird. Auf diese Weise kann auf eine zusätzliche
elastische Zwischenlage verzichtet werden. So wird die zu strukturierende
Materialbahn mit Hilfe eines Wirkmediums (elastisches oder pneumatisch/hydraulisches
Kissen oder elastische Druckwalze) unmittelbar gegen die mechanische
Formmatrize gedrückt
und dabei dreidimensional wellenförmig strukturiert. Der Vorteil
besteht darin, dass kein Verschleiss einer elastischen Zwischenlage
auftritt und keine zusätzliche
Vorrichtung für
den Transport und die Führung
der elastischen Zwischenlage benötigt wird.
Anstatt des Wirkmediums kann nach der Erfindung auch ein mechanischer
Stempel verwendet werden, in den ebenfalls die entsprechenden Konturen,
die der dreidimensional wellenförmig
strukturierten Materialbahn nachempfunden sind, eingearbeitet sind.
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Nach
der Erfindung bestehen die Stützelemente,
die Formmatrize und der Stempel aus starren Werkstoffen. Sie können aber
auch aus elastischen Werkstoffen bestehen.
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Eine
weitere Ausgestaltung zur Anwendung des Verfahrens gemäss der Erfindung
besteht darin, dass mehrdimensional wellenförmig strukturierte Bleche oder
Folien, vorzugsweise anodisierte (eloxierte) Bleche als leichte
und zugleich diffus lichtstreuende Reflektoren verwendet werden.
Erfindungsgemäss besitzen
die mehrdimensional wellenförmig
strukturierten Reflektoren vorzugsweise gleichmässige, grosse und tiefe und
etwa kugelförmige
Kalotten, an deren konvexen Seite das Licht nahezu gleichmässig (d.h.
nahezu unabhängig
vom Einstrahlwinkel) und zugleich breit diffus gestreut wird. So
kann das von der Leuchtenindustrie gewünschte Prinzip der sogenannten
Lichtpunktzerlegung für
eine blendfreie oder zumindest sehr blendarme Lichtreflexion sogar
für die
breite Lichtstreuung grosser Leuchten und indirekten Deckenstrahler
realisiert werden. Mit den bekannten beul- bzw. wölbstrukturierten
Materialbahnen für
Reflektoren (
EP 0 693
008 B1 und
DE
197 01 686 A1 ) ist das nicht möglich, weil insbesondere bei grösseren Beul-
bzw. Wölbmulden
weder eine gleichmässige,
etwa kugelförmige
Gestalt der Mulden bzw. Wölbungen
noch eine grosse Tiefe der Mulden bzw. Wölbungen zu erzeugen sind.
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Bei
Verwendung von flacheren, kugelförmigen
Kalotten, die nach dem neuen Verfahren hergestellt werden, wird
das Licht gleichmässig
und mit einem vergleichsweise geringeren Streuwinkel reflektiert
als bei den tieferen Kalotten. Die Oberflächengüte des dünnwandigen, anodisierten Reflektormaterials
wird durch das Strukturieren nicht beeinträchtigt.
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Eine
weitere Verwendung einer nach dem Verfahren hergestellten Materialbahn
besteht darin, dass mehrdimensional wellenförmig strukturierte Materialien,
insbesondere Bleche aus Aluminium, Stahl, Edelstahl, Magnesium oder
Sandwichmaterialien aus dünnen
Blechen und Kunststoffen sowie aus faserverstärkten Materialien für den Fussgängerschutz und
für die
Energieabsorption beim Crash von Fahrzeugen eingesetzt werden. Eine
besondere Bedeutung hat die Verstärkungsschale, die mit der Motorhaube
verbunden wird, um beim Kopfaufprall den Fussgänger zu schützen. Die dimensional wellenförmig strukturierte
Materialbahn bzw. Schale besitzt gegenüber der bekannten beul- bzw. wölbstruktuierten
Materialbahn oder Schale (
DE
102 59 591 A1 und deutsche Patentanmeldung Nr. 10 2004
044 550.8) den wesentlichen Vorteil, dass auch sehr tiefe Strukturen
hergestellt werden können,
die für
eine gleichmässige
und zugleich stoßenergieabsorbierende Wirkung
beim körperverträglichen
Kopfaufprall besser geeignet sind. Das lässt sich folgendermaßen erklären: Das
Flächenträgheitsmoment
in Verbindung mit der äusseren
Motorhaubenschale und damit die Stossenergieaufnahme je Deformationsweg
wird so grösser.
Da sich beim Kopfaufprall oder im Crashfall der Bereich der Falten
(bei den Beul- bzw. Wölbstrukturen)
und der Bereich der Wülste
(bei den mehrdimensional wellenförmigen
Strukturen) erheblich mehr deformieren als der Bereich der Mulde/Wölbung/Kalotte
(wegen sehr grosser 3D-Biegesteifigkeit), entstehen bei der Deformation
in der Wulst (mit ihrer sanfteren Rundung und ihrem grösseren Flächenanteil)
erheblich geringere örtliche
Materialspannungen als in der bekannten Falte (mit ihrer sehr engen
Krümmung
und ihrem sehr kleinen Flächenanteil
an der strukturierten Materialbahn). Diese erheblich geringeren
Materialspannungen wirken sich nicht nur bei der Deformation beim
Aufprall sondern auch beim langzeitigen dynamischen Fahrbetrieb
sehr günstig
auf die Dauerfestigkeit (Crashperformance und Dauerschwingfestigkeit/Wöhlerkurve)
aus.
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Eine
weitere Verwendung der nach dem Verfahren hergestellten Materialbahn
besteht darin, dass dreidimensional wellenförmige Strukturen für Dosen,
insbesondere Konservendosen oder Trinkflaschen, wie PET-Flaschen,
eingesetzt werden. Die dreidimensional wellenförmigen Strukturen besitzen gegenüber den
bekannten beul- bzw. wölbstrukturierten
Dosen oder Flaschen (
DE
102 18 144 A1 ) den Vorteil, dass anstatt der bekannten
Strukturfalten (entsprechen den schmalen Versteifungen) die Wülste gemäss der Erfindung
(entsprechen den breiten Versteifungen) und ggf. grössere Strukturtiefen
angewendet werden. Ein wesentlicher Vorteil ergibt sich dabei dadurch,
dass sich der im Vergleich zur Falte breitere Wulst erheblich unempfindlicher
gegenüber örtliches
Einknicken durch seitlichen Anschlagen der leeren Dosen oder Flaschen
gegeneinander (bei ihrer Herstellung oder auch später beim
Transport) oder beim Greifen der gefüllten Dosen oder Flaschen durch
den Verbraucher verhalten.
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Eine
weitere Verwendung der nach dem Verfahren hergestellten Materialbahn
besteht darin, dass dreidimensional wellenförmige Strukturen für versteifte,
ebene Wände
oder versteifte Schalen verschiedenster Art eingesetzt werden. Das
betrifft sowohl Materialbahnen aus Metall, Pappe, Papier, Kunststofffolie,
Sandwichlagen aus dünnen
Blechen und Kunststoffen, Faserverbundstoffen sowie Sandwichs und
Paneele aus Blechen und ausgeschäumtem
Kern. Die wesentliche Vorteile bestehen nicht nur in der hohen Steifigkeit
bei geringem Gewicht sondern insbesondere auch in den sehr geringen
Werkstoffspannungen in der Wulst und in den kalottenförmigen Mulden.
Bei faserigen Stoffen oder auch Geweben oder Maschen können sich
die Fasern verschränken
und so den grossen Spannungen ausweichen, da sie nicht durch starre
Werkzeugeingriffe fest fixiert werden.
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Im
Gegensatz zur schmalen Falte bei der Beul- bzw. und Wölbstruktur
verhält
sich die Wulst nach der Erfindung viel unempfindlicher gegen über thermischen
Ausdehnungsbehinderungen bei Temperaturwechselbeanspruchungen und
bei Schwingungsbelastungen, insbesondere im dynamischen Fahrzeug-
oder Maschinen- oder Apparatebetrieb. Schließlich wird infolge des grösseren elastischen Deformationsvermögens der
Wulst gegenüber
der bekannten Falte der Versagensfall bei äusserer Belastung, insbesondere
bei Stossbelastung erheblich weiter zu grösseren Belastungen hin verschoben. Deshalb
sind dreidimensional versteifte dünne Wände oder Folien oder Sandwichs
besonders gut im Bereich der Fahrzeugtechnik, wie für Wände, Dächer und
Karosserieteile, im Bereich der Luft- und Raumfahrt für Paneele, Sonnensegel, Einhausungen,
Kapselungen, Isolierungen und Apparatewände sowie in der Kryotechnik
(bei tiefen Temperaturen) und in der Wärmetechnik (bei hohen Temperaturen).
Bei all diesen beispielhaft genannten Anwendungen zeigen sich die
synergetischen Vorteile dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialien
hinsichtlich hoher Steifigkeit, geringem Gewicht und Sicherheit
bei unterschiedlichen dynamischen Belastungen. Wenn zwei oder mehrere
dreidimensional wellenförmig strukturierte
Materialbahnen miteinander durch thermisches Fügen oder mechanisches Fügen und/oder Kleben
verbunden werden, kommt ein weiterer Vorteil der konstruktiv einfachen
Konstruktion eines Strömungskanals
mit einer vorteilhaften Verwirbelung der Strömung für einen verbesserten konvektiven
Wärme-
und Stoffaustausch hinzu.
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Die
Erfindung wird anschließend
beispielhaft erläutert:
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1 zeigt
den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Herstellung einer
dreidimensional wellenförmig
strukturierten Materialbahn 2, wobei eine elastische Druckwalze 4 eine
glatte Materialbahn 1 gegen eine elastische Zwischenlage 5 und gegen
einen Stützelementkern 3 drückt. Durch
das Eindrücken
des Elastomers der Zwischenlage 5 im Bereich des wirksamen
Stützelements
entsteht quasi von selbst ein "gemeinsames" angepasstes, breiteres
Stützelement
(bestehend aus dem starren Stützelement 3 und
dem angedrückten
Elastomer 5), das vergleichsweise breite Wülste 6 und 7 in
der Materialbahn 2 erzeugt. Die zick-zack-förmigen Wülste sind in 1 nur
als Linie 7 zu erkennen. Auf diese Weise und ferner durch
den Reibschluss zwischen dem "Fluss" des Elastomers der
Zwischenlage 5 (eingequetschtes Elastomer unmittelbar bei
den Flanken des Stützelements)
und der Materialbahn wird die Materialbahn im Bereich der Wülste 6 und 7 gleichmässig deformiert
und vergleichsweise nur sehr wenig plastifiziert. Deshalb kann der
Anpressdruck der elastischen Druckwalze 4 weiter gesteigert
werden, um sogar tiefe Kalotten bzw. Mulden 8 in der strukturierten
Materialbahn 2 zu erzeugen, ohne dass der Werkstoff reisst.
Die Kalotten 8 erhalten vorzugsweise bei hexagonalen Stützelementen
eine etwa kugelförmige
Kalottengestalt. Die dreidimensional wellenförmig strukturierte Materialbahn 2 tritt
von selbst lediglich mit einer geringen Krümmung (sogenannter Coilset)
aus der Strukturierungsanlage aus.
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2 zeigt
den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Herstellung einer
herkömmlichen beul-
bzw. wölbstrukturierten
Materialbahn 9 mit einem Stützelementkern 3 und
einer elastischen Druckwalze 4 um die Unterschiede zum
neuen Verfahren deutlich zu machen. Nachteilig ist, dass sich die
beul- bzw. wölbstrukturierte
Materialbahn 9, die aus Falten 10 (erheblich mehr
plastifiziert) und Mulden 11 (vergleichsweise flacher und
mehr abgeplattet) besteht, beim Strukturieren eng an den Stützelementkern 3 schmiegt
und deshalb die Strukturierungsanlage mit einer sehr starken Krümmung verlässt. Deshalb
werden die Falten 10 und die Mulden 11 beim anschliessenden
Richten in die ebene Gestalt zusätzlich
deformiert und dabei erheblich plastifiziert.
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3 zeigt
schematisch im oberen Bild den Querschnitt durch einen dünnwandigen
runden Zylinder (gestrichelter Kreis) und die sinusförmige, elastische
Welle 12 (durchgezogene Linie), die sich bei geringer äusserer,
allseitiger hydraulischer Druckbelastung (vor dem dynamischen Durchschlag)
einstellt. Das untere Bild zeigt nach dem dynamischen Durchschlag
(bei erhöhter äusserer,
allseitiger hydraulischer Druckbelastung, die vergleichbar zum bekannten
Beulstrukturieren ist) die "girlandenförmige" Welle, die aus den
Beulfalten 10 und den Beulmulden 11 besteht. Beim
Durchschlagen ziehen sich jeweils die äusseren Sinus-Halbwellen 12 (oberes
Bild) zur Beulfalte 10 (unteres Bild) zusammen. Auf diese
Weise entsteht die Beulmulde 11 in der Form einer inneren
Cosinus-Halbwelle, wobei die Wellenlänge dieser Cosinus-Halbwelle
doppelt so gross ist wie die der ursprünglichen Sinus-Halbwelle.
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4 zeigt
den schematisch im oberen Bild den Querschnitt einer dreidimensional
wellenförmig strukturierten
Materialbahn 2 im Schnitt A–A und im Schnitt B–B und im
unteren Bild die entsprechende Draufsicht mit der Positionierung
dieser beiden Schnitte. Durch das Richten der gekrümmten, strukturierten
Materialbahn in die ebene Gestalt wurden die zick-zack-förmigen Wülste 7 in
Richtung der Materialbahn 2 (siehe Pfeil in Fertigungsrichtung
im unteren Bild) etwas gestaucht und die Wülste 6 quer zur Richtung
der Materialbahn 2 etwas gedehnt. Deshalb ist die Strukturhöhe der Wülste und
der Kalotten im Schnitt A–A
etwas grösser
als im Schnitt B–B.
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5 zeigt
im oberen Bild den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Herstellung
einer dreidimensional wellenförmig
strukturierten Materialbahn 2 mit partiell überhöhten Stützelementen 13 auf dem
Stützelementkern 3,
einer elastischen Zwischenlage 5 und einer elastischen
Druckwalze 4. Dadurch werden die Wülste 14 quer zur Richtung
der Materialbahn beim Strukturieren mit einer grösseren Höhe ausgestattet als die zick-zack-förmigen Wülste 7 in
Richtung der Materialbahn 2. Beim Richten der strukturierten
Materialbahn 2 in die ebene Gestalt werden die zick-zack-förmigen Wülste 7 etwas
gestaucht und somit etwas erhöht
und die Wülste 14 quer
zur Materialbahn 2 etwas gedehnt. Die Überhöhungen der Stützelemente 14 werden
in Abhängigkeit
von der Materialdicke und -beschaffenheit, der Dicke und Shorehärte des
Elastomers der Zwischenlage 5 und der Shorehärte der
Druckwalze 4 so gewählt,
dass nach dem Richten der so strukturierten Materialbahn 2 die
Wülste 7 und 14 etwa
dieselbe Höhe
aufweisen.
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6 zeigt
schematisch den Querschnitt durch eine dreidimensional wellenförmig strukturierten
Materialbahn 2 mit tiefen, etwa kugelförmigen Kalotten 8 für eine breite,
diffuse Lichtstreuung. Die drei Bilder zeigen die Reflexion des
Lichts in einer gleichmässigen
und zugleich breit diffusen Lichtstreuung, die sich dadurch ergibt,
dass die einfallenden Lichstrahlen an den gleichmässig gekrümmten und
zugleich tiefen Kalotten 8 punktförmig und zugleich breit diffus
reflektiert werden. So entsteht ein blendfreies oder zumindest ein
sehr blendarmes reflektiertes Licht. Wird eine weniger breit gestreute
Lichtreflexion gewünscht,
werden flachere Kalotten 8 dadurch erzeugt, dass vorzugsweise
die Materialbahn 1 mit einem geringerem Druck durch die
Druckwalze 4 beim Strukturieren beaufschlagt wird. Auch
hierbei ergibt sich eine gleichmässig
gekrümmte
Kalotte 8 in der Materialbahn. die eine punktförmige Lichtreflexion gewährleistet.
Das obere Bild und das mittlere Bild zeigen, dass infolge der etwa
kugelkalottenförmigen Gestalt
auch bei unterschiedlichem Einfallswinkel des Lichts eine punktförmige, diffuse
Lichtreflexion erzielt wird. Das untere Bild zeigt beispiehaft eine
gerichtete, diffuse Lichtstreuung.
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7 zeigt
schematisch im oberen Bild den Querschnitt durch eine Motorhaube
für den
Fussgängerschutz
mit einer inneren, etwas gekrümmten
Verstärkungsschale
aus einer dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahn 2.
Diese strukturierte Materialbahn ist an ihren Wülsten 6 und 7 mit
der äusseren
glatten Motorhaubenschale 15 vorzugsweise durch linienförmige Klebestellen 16 verbunden. Die
dreidimensional wellenförmig strukturierte
Materialbahn 2 lässt
sich mit Hilfe einfacher Präge-
oder Kalibrierwerkzeuge, die aus starren oder elastischen Werkstoffen
bestehen, an die Kontur der nur wenig gekrümmten, äusseren Motorhaubenschale 15 anpassen,
weil die dreidimensional wellenförmig
strukturierte Materialbahn 2 insbesondere auch bei tiefen Strukturen über grosse
mehrdimensionale Biege- und
Streckreserven verfügt,
ohne dass dabei die Strukturen (Kalotten und Wülste) wieder eingeebnet werden
oder örtlich
einknicken. Die besonders grossen Umformreserven dieser strukturierten
Materialbahn 2 erlauben sogar auch komplexe, geometrische Anpassungen
an individuell gestaltete äussere
Motorhaubenschalen. Analoges gilt für andere Verstärkungsschalen
im Fahrzeugbereich, wie für
Türen, Dächer, Kotflügel, Heckklappen
sowie untere und seitliche Trennwände.
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8 zeigt
schematisch den Querschnitt durch eine Motorhaube für den Fussgängerschutz mit
einer inneren Verstärkungsschale
aus einer dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahn 2.
Dabei wird die strukturierte Verstärkungsschale vorzugsweise durch
Klebestellen 17 an den Kalotten 8 der strukturierten
Materialbahn 2 mit der äusseren, glatten
Motorhaubenschale 15 verbundenen. Für weitere Anwendungen gelten
die für 7 genannten
Beispiele.
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9 zeigt
schematisch den Querschnitt durch einen Dosenrumpf 18 aus
einer dreidimensional wellenförmig
strukturierten Materialbahn 2. Diese vereinfachte Darstellung
bezieht sich nur auf den sichtbaren Rand des Dosenrumpfes mit den
Wülsten 6 und
den Kalotten bzw. Mulden 8 (auf die Darstellung der Strukturen
in der Mitte des Dosenrumpfes wurde verzichtet). Die im Vergleich
zu den bekannten schmalen Falten erheblich breiteren Wülste 6 erweisen
sich unempfindlicher gegenüber
seitlichem und punktförmigen
Anstossen oder Anschlagen (bei der Dosenherstellung oder beim Transport
der Dosen) als die schmalen Falten der bekannten beul- bzw. wölbstrukturierten
Dose. Analoges gilt für
Kunststoffflaschen, insbesondere für PET-Flaschen.
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10 zeigt
schematisch im oberen Bild den Querschnitt durch eine strukturierte,
dünne und
zugleich formsteife Wand aus einer dreidimensional wellenförmig strukturierten
Materialbahn 2, die zusätzlich
mit einem ebenen oder feinstrukturierten Rand 19 (hier
nicht sichtbar) versehen ausgestattet ist (für ein einfaches Verbinden/Fügen mit
einem Rahmen). Das untere Bild zeigt schematisch den Querschnitt
durch ein Sandwich aus einem oberen und unteren Gurt aus einer dreidimensional
wellenförmig
strukturierten Materialbahn 2 und einem inneren Kunststoff-
bzw. Kunststoffschaumkern 20.