DE102005041555A1 - Verfahren zum dreidimensional facettenförmigen Strukturieren von dünnen Materialbahnen - Google Patents

Abstract

Verfahren zum räumlich facettenförmigen Strukturieren dünner Materialbahnen, wobei die dreidimensional angeordneten, facettenartigen Teilflächen eben oder nur leicht gekrümmt sind und sich ein optisches Erscheinungsbild von aneinander gereihten Würfeln oder Quadern ergeben. Der Richtaufwand in die Planlage wird durch das facettenförmige, materialschonende Strukturieren stark vereinfacht.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Strukturieren dünner Materialbahnen mit dreidimensional angeordneten, facettenartigen Teilflächen, insbesondere von metallischen Verkleidungen.
• Es sind mehrere Verfahren bekannt, um dünne, ebene Materialien, wie Bleche aller Art oder auch Kunststofffolien, mit mehrdimensionalen Strukturen, so genannten Makrostrukturen, zu versehen, um deren Steifigkeit zu erhöhen. 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- und torsionsweich. Beim effektiven Leichtbau, insbesondere in der Automobil- und Flugzeugindustrie, kommen immer mehr hoch- und höchstfeste Werkstoffe zum Einsatz, die jedoch nur geringe Plastifizierungsreserven besitzen und deshalb nur sehr eingeschränkt mit Hilfe mechanischer Form- und Prägewerkzeuge strukturiert werden können, weil sie dabei leicht reissen.
• Da beulstrukturierte Materialien besonders materialschonend, vorzugsweise auf der Basis eines selbstorganisierten Strukturierungsprozesses, aus einer gekrümmten Gestalt heraus hergestellt werden (beschrieben in EP 0 693 008 B1 ), lassen sich zahlreiche dünnwandige Materialien auf diese Weise strukturieren ( 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 ). Diese so erzeugten Makrostrukturen werden häufig „Wölbstrukturen" genannt.
• Diese beul- bzw. wölbstrukturierten Materialbahnen besitzen jedoch noch gravierende Nachteile, wenn hoch- bzw. höchstfeste Werkstoffe zum Einsatz kommen. Obwohl sich prinzipiell auch hoch- und höchstfeste Werkstoffe beulstrukturieren lassen, treten noch erhebliche Probleme auf, wenn die beulstrukturierte Materialbahn aus ihrer gekrümmten Gestalt in die ebene Form übergeführt werden und die so gerichtete beul- bzw. wölbstrukturierte Materialbahn dann eine exakte Planlage behalten soll. Die Ursache hierfür liegt darin, dass durch das Beulstrukturieren innere Eigenspannungen im Material sowie störende geometrische Anisotropien auftreten, die sich insbesondere bei hoch- und höchstfesten Werkstoffen bzw. bei grossen inneren Werkstoffspannungen sehr nachteilig auswirken. Die inneren Werkstoffspannungen resultieren aus dem hohen elastischen Anteil, wenn ein Bauteil mit großer Streckgrenze (aus der Fliesskurve) mit dreidimensionalen Strukturen versehen wird. Die Anisotropien entstehen bei beul- bzw. wölbstrukturierten Materialien insbesondere dadurch, dass beim Strukturieren Beulen in die Materialbahn springen, wenn die ursprünglich glatte Materialbahn aus ihrer gekrümmten Gestalt von innen partiell abgestützt und dann von aussen mit Druck beaufschlagt wird. Dadurch wird die neutrale Biegelinie der gekrümmten Materialbahn aus ihrer Mitte nach innen verschoben. Diese Anisotropie bleibt auch nach dem Richten der gekrümmten, beulstrukturierten Materialbahn in die ebene Gestalt erhalten. Eine geometrische Anisotropie ergibt sich zusätzlich dadurch, dass sechseckige oder wappenförmige Beul- bzw. Wölbstrukturen geometrisch eine 60°-Symmetrie aufweisen, jedoch die meisten Wände oder Bauteile eine rechteckige oder quadratische Symmetrie aufweisen. Deshalb werden aus der Sicht eines Designers oder Architekten gerne Strukturen mit einer 90°-Symmetrie gewünscht. Einige Designer und Architekten wünschen darüber hinaus insbesondere für das Alleinstellungsmerkmal von Markenartikeln neue geometrische Formen von Strukturen. Die bekannten beul- bzw. wölbstrukturierten Materialien weisen ferner noch einen weiteren gravierenden Nachteil auf, insbesondere wenn größere Beul- bzw. Wölbstrukturen, die natürlich geeigneter für dickere Materialbahnen sind, zum Einsatz kommen. Die Anzahl der Falten liefern jedoch – ähnlich wie bei einer Fachwerkkonstruktion – den wesentlichen Beitrag zur Formsteifigkeit des Bauteils. Diese Zusammenhänge lassen sich in einer vereinfachten Betrachtungsweise folgendermassen am Beispiel einer einzelnen Beule und ihren angrenzenden versteifenden Falten erklären, wenn die Aufgabe darin besteht, eine verbesserte Materialausnutzung für eine hohe Steifigkeit zu erzielen: Bei einer Beul- bzw. Wölbstruktur, die aus schmalen Falten und einer flächigen Mulde besteht, wird das geometrische Verhältnis der Summe der Flächen der Falten (linear zur Strukturgrösse) einerseits zur Fläche der Mulde (quadratisch zur Strukturgrösse) andererseits mit zunehmender Strukturgrösse immer kleiner. Das bedeutet, dass mit zunehmender Strukturgrösse eine effektive Materialausnutzung zur Steifigkeitsgewinnung abnehmen kann.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dessen Hilfe es gelingt, diese Nachteile, insbesondere die Anisotropien, zu beseitigen.
• Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren nach dem Hauptanspruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Es wurde überraschenderweise gefunden, dass regelmässige, dreidimensional zueinander angeordnete Facettenstrukturen dadurch erzeugt werden können, dass man nach der Erfindung jeweils eine Mulde einer sechseckig oder wappenförmig beul- bzw. wölbstrukturierten Materialbahn auf ihrer konkaven Seite gegen drei Stützelemente, die zu einem Sternpunkt zusammenlaufen, drückt. Diese zu einem Sternpunkt zusammenlaufenden Stützelemente sind nicht in einer Ebene, sondern dreidimensional zu einer quasi pyramidenförmig zusammenlaufenden Spitze so angeordnet, dass sie die Mulde der Beul- bzw. Wölbstruktur von innen abstützt. Die drei Stützelemente sind vorzugsweise gerade; sie können aber auch etwas gekrümmt sein. Wird dann die Mulde der Materialbahn von aussen, d.h. von ihrer konvexen Seite, vorzugsweise auf der konvexen Seite der Beulen bzw. Wölbstrukturen, mit Druck beaufschlagt, beult die Mulde der Materialbahn zwischen den drei Stützelementen ein. Da dieser Beulvorgang dem ursprünglichen Beulvorgang des bekannten Beulstrukturierens entgegengerichtet ist, wird die neutrale Biegelinie, die durch das bekannte Beulstrukturieren aus der Mitte der ursprünglich glatten Materialbahn heraus verschoben wurde, grösstenteils wieder in Richtung der Membranlinie der ursprünglich glatten (d.h. noch nicht beul- bzw. wölbstrukturierten) Materialbahn zurück verschoben. Auf diese Weise wird eine erheblich störende Anisotropie der strukturierten Materialbahn, die bisher insbesondere bei höchstfesten Materialbahnen nicht zu beherrschen war, weitestgehend beseitigt oder zumindest stark reduziert.
• Dieses Verfahren nach der Erfindung wird nun eingehender an einem Beispiel erläutert. Nach der Erfindung laufen dabei vorzugsweise jeweils drei linienförmige Stützelemente zu einem Sternpunkt zusammen, und diese werden dann mittig gegen die Mulde der Beul- bzw. Wölbstrukturen gedrückt. Ganz überraschend ist dabei, dass sich aus den Mulden der Beul- bzw. Wölbstrukturen, die ursprünglich eine gekrümmte, kalottenförmige Gestalt besassen, gleichmässige, räumlich versetzt zu einander angeordnete Strukturen mit ebenen facettenartigen Teilflächen quasi von selbst einstellen. Man hätte erwarten können, dass beim "Durchschlag" aus der gekrümmten Mulde weitere kleinere Gegenmulden entstehen. Das ist überraschenderweise nicht der Fall. Zahlreiche experimentelle Versuche haben gezeigt, dass insbesondere bei hoch- und höchstfesten Werksoffen ebene, räumlich zueinander versetzte Teilflächen in der Materialbahn entstehen, die eine räumliche Facettenstruktur ergeben. Die bei diesem Verfahren ablaufenden Prozesse sind hochkomplex und sind in allen Einzelheiten bisher noch nicht theoretisch exakt verstanden. Sehr vereinfacht kann man den Vorgang folgenderweise erklären: Wenn drei sternförmig zusammenlaufende Stützelemente, die auf einer Stützelementwalze angebracht sind, gegen die Mulde einer beul- bzw. wölbstrukturierten Materialbahn drücken und die Materialbahn an ihrer anderen Seite mit Druck beaufschlagt wird, entstehen aus der Mulde drei kleinere Strukturflächen, die räumlich zueinander versetzt angeordnet sind und jeweils nur noch eine kleine Anfangskrümmung aufweisen. Daraus entstehen die überraschenden ebenen Facettenflächen offensichtlich dadurch, dass wegen der geringeren Anfangskrümmung und einer kompensatorischen (biegeweichen) Wirkung der bereits bestehenden Falten der Beul- bzw. Wölbstrukturen sowie der sich bildenden Falten zwischen den sich neu bildendenden, kleineren Strukturen ein kompletter Durchschlag mit der Entstehung von kleinen Gegenmulden nicht stattfindet. Durch diese kompensatorische Wirkung werden die grossen Schubspannungen in Membranrichtung einer traditionell gekrümmten, dünnen Schale, die bei einer Belastung einen Instabilitätspunkt mit Durchschlagen hervorrufen, vermieden und quasi von den Falten aufgefangen.
• Mit Hilfe dieser neuartigen Facettenstrukturen lassen sich die bereits genannten Nachteile, insbesondere die störende Anisotropie, überwinden. Mit Hilfe der Facettenstrukturen wird die neutrale Biegelinie, die durch das Beul- bzw. Wölbstrukturieren aus der Mitte der ursprünglich glatten, d.h. nicht strukturierten, Materialbahn verschoben wurde, wieder ganz oder zumindest weitestgehend zurück verlagert. Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, das dabei die durch das primäre Beulstrukturieren verursachte starke Krümmung der Materialbahn mit Hilfe der entgegengerichteten Druckbeaufschlagung beim Einbringen der Facettenstrukturen grösstenteils quasi von selbst wieder fast vollständig zurückgebogen wird. Dadurch wird die strukturierte Materialbahn gleichzeitig quasi von selbst nahezu in die ebene Gestalt gerichtet. Der dann anschliessende Richtaufwand in eine exakt ebene Gestalt ist dann vergleichsweise gering. Diese beiden Effekte führen dazu, dass sogar auch hoch- und höchstfeste Materialbahnen besonders materialschonend strukturiert und gerichtet werden können.
• Die räumlich angeordneten Facettenstrukturen ergeben noch weitere Vorteile: Insbesondere bei grossen Beul- bzw. Wölbstrukturen, die, wie bereits erläutert, eine verhältnismässig grosse Muldenfläche im Vergleich zur Fläche der angrenzenden Falten besitzen, entsehen durch die zusätzlichen Facettenstrukturen weitere versteifende Falten. Die räumlichen Facettenstrukturen mit ihren ebenen Teilflächen ergeben ein neuartiges optisches Erscheinungsbild, das auch gut zu rechteckigen Wänden und kubischen Bauteilen passt. Da die Facettenstrukturen auf materialschonende Weise ohne einen flächigen Kontakt zu mechanischen Formwerkzeugen entstehen, bleibt die Oberflächengüte des Ausgangsmaterials vollständig erhalten.
• Der Erfindungsgedanke wird anschließend beispielhaft erläutert:
• 1 zeigt in einer perspektivischen, sehr vereinfachten Darstellung eine hexagonal beul- bzw. wölbstrukturierte Materialbahn, die von links zwischen einer oberen Stützelementwalze, auf der die jeweils drei sternförmig zusammenlaufenden Stützelemente (entsprechend den Sternpunkten des Hexagons) angeordnet sind, und einer unteren elastischen Druckwalze geleitet wird. Dadurch, dass jeweils die drei sternförmig zusammenlaufenden Stützelemente gegen die konkave Mulde der beul- bzw. wölbstrukturierten Materialbahn drücken, entstehen die aus einer Mulde (aus einer Hexagon-Fläche) jeweils drei räumlich zueinander versetzten Facettenflächen in der strukturierten Materialbahn rechts am Auslauf dieser schematisch dargestellten Strukturierungseinheit. In dieser vereinfachten perspektivischen Darstellung wurde auf die 3D-Darstellung der Mulden auf der linken Seite, der Stützelemente und der Facetten auf der rechten Seite verzichtet. Die einzelnen Elemente werden in den folgenden Figuren in einer 2D-Darstellung noch eingehender beschrieben und erläutert.
• 2 zeigt den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Herstellung einer dreidimensional facettenförmig strukturierten Materialbahn 7 aus einer bereits hexagonal beul- bzw. wölbstrukturierten Materialbahn 1. Die strukturierte Materialbahn 1 mit ihren aneinander gereihten Mulden 2, den zick-zack-förmigen Falten 3 (in dieser Ansicht nur als Linie zu erkennen) in Fertigungsrichtung und den Falten 4 quer zur Fertigungsrichtung wird mit Hilfe einer elastischen Schicht 30 auf einer Druckwalze 31 gegen die Stützelementwalze 5 gedrückt. Durch das Gegendrücken der sternförmig zusammenlaufenden Stützelemente (entsprechend den Sternpunkten der hexagonalen Stützelemente 5, die in dieser Ansicht nicht einzeln zu erkennen sind) in die bereits existierenden Mulden 2 der beulstrukturierten Materialbahn 1 entstehen in quasi freier Ausgestaltung jeweils drei ebene Facettenflächen 7. Diese Facettenflächen 7 sind räumlich zueinander versetzt angeordnet (in dieser Ansicht nicht erkennbar), weil sie aus einer dreidimensionalen Mulde entstanden sind. Überraschend ist, dass die Facettenflächen selbst ganz eben oder zumindest nur ganz wenig gekrümmt sind.
• 3 zeigt schematisch im oberen Bild eine Draufsicht auf eine hexagonal beul- bzw. wölbstrukturierte Materialbahn 1 mit ihren Mulden 2, ihren zick-zack-förmigen Falten 3 in Fertigungsrichtung und ihrer Falten 4 quer zur Fertigungsrichtung. Das untere Bild zeigt schematisch eine Draufsicht auf eine dreidimensional facettenförmig strukturierte Materialbahn mit ihren ebenen Facettenflächen 9 und 10 und den neuen Falten 7, die sich durch das Gegendrücken der Stützelementwalze 5 (2) gebildet haben. Die neuen Falten 7 der Facetten laufen jeweils zu dem Sternpunkt 11 zusammen. Die Facetten 10 sind jeweils in einer Ebene angeordnet. Die Facetten 9 sind jeweils zueinander räumlich versetzt angeordnet. Auf diese Weise ergeben die gebildeten Facetten eine dreidimensionale Ansicht, die regelmässig räumlich aneinander angeordneten Würfeln entspricht.
• 4 zeigt schematisch im oberen Bild die Draufsicht auf eine hexagonal beul- bzw. wölbstrukturierte Materialbahn 1, wobei die Hexagons in Fertigungsrichtung etwas gestreckt sind. Im unteren Bild sind die sich daraus ergebenen Facetten dargestellt. Die einzelnen Elemente haben die entsprechenden Nummern entsprechend der 3. Durch die Streckung des Hexagons ergeben sich optisch aneinander gereihte Quader, wobei die oberen Flächen 10 grösser sind als die räumlich zueinander versetzten Flächen 9.
• 5 zeigt schematisch im oberen Bild die Draufsicht auf eine hexagonal beul- bzw. wölbstrukturierte Materialbahn 1. Im unteren Bild sind die sich daraus ergebenen Facetten dargestellt, wenn die Sternpunkte 12 nicht exakt in der Mitte des Hexagons (Mulde 2 des Hexagons) sondern ausserhalb der Mitte des Hexagons angeordnet sind. Die senkrechten Facettenfalten 13 sind kürzer als die zick-zack-förmigen Facettenfalten 7. Die Facettenflächen 10 sind sechseckig und befinden sich auf einer Ebene. Die Facettenflächen 9 sind parallelogrammförmig und sind räumlich versetzt zueinander angeordnet. Die Falten der ursprünglichen hexagonalen Strukturen sind optisch hervorgehoben (dunkler Strich). Die neu gebildeten Facettenfalten sind durch einen dünnen Strich erkennbar.
• 6 zeigt schematisch im oberen Bild die Draufsicht auf eine wappenförmig (hexagonal mit geschwungenen Falten) beul- bzw. wölbstrukturierte Materialbahn 1, wobei die geschwungenen Falten spitz zu einem Sternpunkt 14 zusammenlaufen.
• Dadurch bilden sich wappenförmige Flächen 15. Die zick-zack-förmigen Falten 16 sind in Richtung der Materialbahn 1 angeordnet. Die Falten 17 sind quer zur Richtung der Materialbahn 1 angeordnet. Im unteren Bild sind die sich aus dem neuen Strukturierungsprozess ergebenen Facetten dargestellt. Die neu gebildeten Facettenfalten 18 und 19 laufen jeweils zu einem Sternpunkt 20 in der Mitte der Wappenfläche 15 zusammen. Es bilden sich kleine, wappenförmigen Facettenflächen 21, die sich auf einer Ebene befinden und etwa zitronenförmige Facettenflächen 22, die räumlich versetzt zueinander angeordnet sind. Die geschwungenen Falten 16 und 17 des ursprünglichen Wappens 15 und die neuen Facettenfalten 18 und 19 laufen jeweils zu einem gemeinsamen Sternpunkt 23 zusammen.
• 7 zeigt schematisch im oberen Bild die Draufsicht auf eine viereckig beul- bzw. wölbstrukturierte Materialbahn 1, wobei die Falten 21 (in Richtung der Materialbahn) und die Falten 22 (quer zur Materialbahn) senkrecht aufeinander zulaufen. Zwischen diesen Falten befinden sich die muldenförmigen Flächen. Im unteren Bild sind die sich aus dem neuen Strukturierungsprozess ergebenen Facetten 25 und 26 dargestellt. Die neugebildeten Facettenfalten 23 laufen jeweils in der Mitte der viereckigen Mulde zu dem Sternpunkt 24 zusammen. Die Facettenflächen 26 befinden sich auf einer Ebene. Die Facettenflächen 25 sind räumlich versetzt zueinander angeordnet.
• 8 zeigt schematisch im oberen Bild die Draufsicht auf eine viereckig beul- bzw. wölbstrukturierte Materialbahn 1, wobei die Falten 21 und die Falten 22 senkrecht aufeinander zulaufen. Zwischen diesen Falten befinden sich die muldenförmigen Flächen. Im unteren Bild sind die sich aus dem neuen Strukturierungsprozess ergebenen Facetten 27 und 28 dargestellt. Die neugebildeten Facettenfalten laufen jeweils ausserhalb der Mitte der viereckigen Mulde zu dem Sternpunkt 29 zusammen. Die Facettenflächen 28 befinden sich auf einer Ebene. Die Facettenflächen 27 sind räumlich versetzt zueinander angeordnet.

Claims (14)

1. Verfahren zum räumlich facettenförmigen Strukturieren einer Materialbahn, wobei eine Materialbahn mit regelmässig angeordneten Strukturen, insbesondere beul- oder wölbförmigen Strukturen, mit Mulden und Falten versehen werden, dann die Mulden auf ihrer konkaven Seite durch jeweils zu einem Sternpunkt zusammenlaufende Stützelemente partiell abgestützt wird und ein Druckmedium gegen die konvexe Seite der Mulden drückt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützelemente auf der konkaven Seite der Mulde der Materialbahn angeordnet sind und ein Wirkmedium gegen die konvexe Seite der Mulden drückt und dabei räumlich angeordnete kubische oder quaderförmige Facettenflächen entstehen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Facettenflächen jeweils eben oder nur wenig gekrümmt sind.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Materialbahn nach dem Strukturieren eben oder nur wenig gekrümmt ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützelemente auf der konvexen Seite der Mulden der Materialbahn angeordnet sind und das Druckmedium gegen die konkave Seite der Mulde drückt und gewölbte Facettenflächen entstehen.
6. Verfahren nach Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beulstruktur mit den Mulden und den geraden oder geschwungenen Falten durch Selbstorganisation oder mit Hilfe mechanischer Formwerkzeuge hergestellt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckmedium aus einem Elastomer oder aus einem Wirkmedium besteht.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die facettenförmigen Strukturen mit Hilfe eines Stempels und einer Matrize, wobei deren Konturen der Negativ-Form der facettenförmig zu strukturierenden Materialbahn entspricht, hergestellt wird. Der Stempel und die Matrize können jeweils sowohl eine ebene Form besitzen als auch auf Walzen angeordnet sein und aus starren oder elastischen Werkstoffen bestehen.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialbahn mit einer polygonen Beul- bzw. Wölbstruktur versehen ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Beul- bzw. Wölbstrukturen gerade oder geschwungene Falten aufweisen.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächen der Facetten gleich gross oder unterschiedlich gross sind.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass runde oder ovalförmige Facetten mit dem Erscheinungsbild etwa eines Maikäfers mit zwei Flügeln, einem Kopf und einem Schwanz aufweisen.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht an den ebenen oder wenig gekrümmten Facettenflächen in definierte Richtungen reflektiert wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass das Licht an den stärker gekrümmten Facettenflächen etwa punktförmig und diffus reflektiert wird.