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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Strukturieren dünner Materialbahnen
mit dreidimensional angeordneten, facettenartigen Teilflächen, ein derart
hergestelltes Erzeugnis und die Verwendung desselben, insbesondere
von metallischen Verkleidungen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen,
mit dessen Hilfe es gelingt, diese Nachteile, insbesondere die Anisotropien, zu
beseitigen und dreidimensional strukturierte Materialbahnen herzustellen
und zu verwenden.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch ein Verfahren nach dem Hauptanspruch 1 und durch
strukturierte Erzeugnisse nach dem Anspruch 8 und Anspruch 9 und
durch eine Verwendung als Lichtreflektoren oder Lichtleitelement
nach dem Anspruch 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens
sind Gegenstand der Unteransprüche.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Erfindung wird anschließend
beispielhaft erläutert:
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.