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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung
von mikrostrukturierten Blechen, Platinen oder dergleichen mittels
einer Prägewalze,
die ein negativ der einzuprägenden
Mikrostruktur aufweist und gegen das Blech anstellbar ist.
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Bleche
mit einer Mikrostruktur sind vielfältig verwendbar, wie zur Herstellung
eines Minireaktors, Mikrowärmeüberträgers, öl-, katalytisch-
oder Heißgas-
beheizten Verdampfers, eines Membranmoduls zur H2-Abtrennung
oder einer Brennstoffzelle.
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Um
die Nachteile bei galvanischen, chemischen, elektrischen, elektrochemischen,
mechanischen oder Laserabtrag-Verfahren zu vermeiden, ist es durch
die
DE 101 08 469
A1 bekannt geworden, in einem kontinuierlichen Prägeschritt
auf einer Seite der Bleche Mikrostukturen in deren Blechoberfläche einzubringen.
Das Blech bzw. allgemein metallische Bauteile, beispielsweise aus
Stahl, insbesondere aus rostfreien Stählen, wird vor dem kontinuierlichen
Prägen
erwärmt
und durch Kaltwalzung umgeformt, wobei die Mikrostrukturen eine
Tiefe von etwa 0,1 bis 0,5 mm aufweisen, während das Blech eine Dünnung um
etwa 50% erfährt.
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Zur
Kaltwalzung wird das Blech bei den bekannten kontinuierlichen Prägeverfahren
einer Prägewalze
zugeführt,
die ein Negativ der einzuprägenden
Mikrostruktur und Ausgleichsstrukturen zur Vergleichmäßigung der
Umformung über
den Wal zenspalt in den die Mikrostruktur umgebenden Bereichen besitzt.
Der Walzenspalt wird zwischen der Prägewalze und einer dieser zugeordneten,
gegensinnig umlaufenden, unteren Stützwalze gebildet. Zur Umformung
ist ein sehr hoher Walzdruck erforderlich, der im Bereich von 30
bis 1000 to liegt, was eine entsprechend aufwendige Walzvorrichtung
erfordert, um diese großen
Kräfte
aufnehmen zu können.
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Das
bekannte kontinuierliche Prägeverfahren
wird kraft- und/oder weggesteuert durchgeführt. Es muß somit über einen Kontakt- und Regelmechanismus
entweder die Walzkraft oder der Walzspalt zwischen der oberen Prägewalze
und der unteren Stützwalze
konstant gehalten werden. Das Verfahren setzt damit einen erheblichen
Regelaufwand voraus. Zur Verbesserung der Qualität des hergestellten, mikrostrukturierten
Bleches wird dieses nach dem kontinuierlichen Prägen in üblicher Weise kalibriert und/oder
geglüht
und einem Richtprozeß unterworfen.
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Ein
damit vergleichbares kontinuierliches Prägeverfahren ist aus der
DE 196 43 934 A1 bekannt.
Ein von einem Coil abgewickeltes bandförmiges Metallblech durchläuft dort
zwei kämmende
Profilwalzen, die dem Metallblech die Struktur der Profilwalzen
verleihen. Den Profilwalzen schließt sich in Bewegungsrichtung
des Metallblechs eine Kalibriereinheit und eine Trenneinheit an.
Die Teillängen
der strukturierten Bleche werden zu einem Metallblechpaket aufeinander
gestapelt, welches in ein Mantelrohr einsetzbar ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
der eingangs genannten Art zu schaffen, die es erlauben, ohne großen Aufwand
in maschinentechnisch einfacher Weise mikrostrukturierte Bleche,
Platinen oder dergleichen mit hoher Qualität herzustellen.
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Diese
Aufgabe wird mit einem Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß durch
Rollprägen
in reversierender Betriebsweise eine inkrementelle Umformung in
der Blechoberfläche
vorgenommen wird. Durch die somit erfindungsgemäße Abkehr von einer kontinuierlichen,
endlosen Walzprägung und
inkrementelle Umformung, d.h. partielle Prägung gezielter Bereiche eines
Bleches bzw. eines metallischen Bandes, einer Platine oder dergleichen,
lassen sich sehr dichte Mikrostrukturen erreichen, die eine höhere Lebensdauer
bieten. Durch die reversierende Betriebsweise rollt sich die nur über eine
Teillänge der
Mantelfläche
der Prägewalze
eingearbeitete Negativ-Mikrostruktur auf dem flach liegenden, umzuformenden
Material ab. Es kann mit sehr geringen Prägedrücken bzw. -kräften gearbeitet
werden. Diese sind umso geringer, je kleiner der Durchmesser der Prägewalze
ist. Die Prägewalze
weist mindestens den doppelten Umfang der Prägelänge, d.h. der in die Mantelfläche eingearbeiteten
Negativ-Mikrostruktur auf. Unter einer reversierenden Betriebsweise wird
hierbei auch verstanden, daß jeweils
die Startseite für
die Rollprägung
wechselt, d. h. die Prägewalze
abwechselnd an dem einen und anderen Ende der zu prägenden Fläche zum
Einsatz für
die Abrollbewegung gebracht wird.
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Die
inkrementelle, partielle Rollprägung
ermöglicht
es, in dem Blech beispielsweise einseitige Riffelungen und Mikroverzahnungen
herzustellen, die verschiedene Funktionen haben können, wie
in technischen Gehäusen
mit Stellmotoren eine Zahnstangenfunktion, eine Rastfunktion oder
in der Verbindungstechnik zur Verklammerung zweier strukturierter
Bereiche. Die Verklammerung kann in Verbindung mit Kleben, Vernieten
oder Clinchen zur besseren Kraftübertragung
senkrecht zum eingebrachten Profil und somit zur Entlastung des
Verbindungselementes beitragen. Weiterhin können durch gezielte Steuerung
des Werkstoffflusses, d.h. durch partielles Rückfließen des Materials in Blechdickenrichtung Nebenformelemente
geprägt
werden, beispielsweise Verdickungen, Nippel, Anschweißpunkte,
Niete oder dergleichen.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß das Blech
hin und her verfahren wird und die auf den unteren Totpunkt bis
zur Anlage auf dem Blech angestellte, nicht angetriebene Prägewalze
bewegungsabhängig
mitschleppt. Die somit antriebslose Walze läuft passiv mit der Bewegung und
in der jeweiligen Bewegungsrichtung des Bleches mit.
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Optional
wird vorgeschlagen, daß das
Blech ruht und die auf den unteren Totpunkt angestellte, nicht angetriebene
Prägewalze
abgerollt wird. Das z. B. dann, wenn das Werkstück zu groß und eine Werkstückbewegung
nicht möglich
ist, so daß in
diesem Fall das Werkzeugoberteil mit der Prägewalze verfahren wird.
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Es
wird bevorzugt vorgeschlagen, daß zum Prägebeginn die aus ihrer Ausgangsstellung
gegen das Blech angestellte Prägewalze
mit ihrer Negativ-Mikrostruktur etwa die Mitte der umzuformenden Fläche kontaktiert,
sich auf dem Blech dann nach rechts oder links bis zur einen Endstellung,
und wieder zurück über die
Mitte zur anderen Endstellung und danach erneut zur Mitte abwälzt, aus
der sie in die Ausgangsstellung abgehoben wird. Wie sich durch zahlreiche
Versuche bestätigt
hat, lässt
sich durch das von der Mitte der in dem Blech partiell umzuformenden
Fläche
ausgehende Rollprägen
zunächst
zu der einen Seite der Prägefläche, dann über die
Mitte zurück
bis zur gegenüberliegenden
Seite der Prägefläche mit
anschließender
Bewegung in die mittige Position eine optimierte Mikrostruktur erreichen.
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Wenn
das Blech nach einem anderen Vorschlag der Erfindung beidseitig
rollgeprägt
wird, kann aufgrund des Längenwachstums,
das sich in Richtung der Abrollbewegung einstellt, eine Oberflächenvergrößerung erzielt
werden. Ein solches Blech kann als Metallkatalysator (Wickelkatalysator)
für Dieselmotoren
verwendet werden oder, wenn es nach dem beidseitigen Rollprägen gebogen
wird, als Kühlrohr zur
Abgaskühlung
bei der Abgasrückführung zum Einsatz
kommen.
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Eine
bevorzugte Ausführung
der Erfindung sieht vor, daß eine
umzuformende Fläche
aus dem Blech ausgeschnitten und über ein beim Rollprägen ein
Längen wachstum
aufnehmenden Stegen an den den Flächenausschnitt umschließenden,
verbleibenden Blechrahmen angebunden wird. Die mit der Mikrostruktur
auszubildende Fläche
einschließlich
der Anbindungsstege oder -ärmchen
kann beispielsweise durch Ausstanzen aus dem Blech vorgefertigt
werden. Die umzuformende Fläche
befindet sich somit mit Luft in dem verbleibenden, äußeren Blechrahmen.
Die Anbindungsstege oder -ärmchen
verhindern, daß aufgrund
des beim Prägewalzen
in Bewegungsrichtung auftretenden Längenwachstums Spannungen in
den verbleibenden, äußeren Blechrahmen
gelangen.
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Ein
solches Blech mit freigeschnittener, mikrostrukturierter Fläche eignet
sich insbesondere für Mikro-Wärmetauscher.
Die Bleche sind hierbei sehr dünne
Plättchen,
die nach dem Rollprägen
plangewalzt werden, wobei gleichzeitig eventuelle Verformungen der
Stege/Ärmchen
beseitigt werden, worauf sich ein Richtprozeß anschließt, z.B. ein Spannungsfrei-Glühen. Verschieden
mikrostrukturierte Plättchen
werden wechselweise übereinander
zu einem Wärmetauscherpaket
geschichtet und z. B. verlötet.
Das Wärmetauscherpaket
kann von von oben und unten aufgesetzten dicken, miteinander verspannten
Abschlussdeckeln zusammengehalten werden.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung,
insbesondere zum Durchführen
des Verfahrens nach Anspruch 1, besitzt ein zweiteiliges, aus einem
Oberteil und einem Unterteil bestehendes Rollpräge-Werkzeug, wobei die Prägewalze
frei laufend, antriebslos, vorzugsweise auf Mitte gehalten, in dem
Oberteil angeordnet ist und das Unterteil einen reversierend angetriebenen
Werkzeugtisch als Blechauflage aufweist oder das Werkzeug-Oberteil
reversierend verfahrbar ausgebildet ist. Sobald nach dem Anstellen bzw.
Aufsetzen der Prägewalze
auf das Blech der Werkzeugtisch verfahren wird, rollt sich die Negativ-Mikrostruktur
der Walzen-Mantelfläche
entsprechend der Bewegungsrichtung auf dem Blech ab. Wenn die Prägewalze
auf Mitte gehalten wird, ergeben sich beidseitig zur Mitte symmetrische
Mikrostrukturen. Gleichwohl ist eine asymmetrische Rollprägung möglich.
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Das
Einhalten einer in der Ausgangslage neutralen Drehstellung der Prägewalze
wird erfindungsgemäß dadurch
gewährleistet,
daß zumindest ein
in der neutralen Drehstellung die Prägewalze festlegendes, selbsttätig entriegelbares
Rastmittel vorgesehen ist. Dies kann z.B. eine federbelastete Kugel
sein, die in eine stirnseitige Kalotte, Vertiefung oder dergleichen
Rastaufnahme der Prägewalze
einrastet. Wenn dann allerdings die Bewegung des Werkzeugtisches
einsetzt, wird die Verrastung sofort aufgehoben und die Prägewalze
wird passiv mitgenommen.
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Nach
einem Vorschlag der Erfindung ist die Prägewalze mit einer Achse in
von gegenüberliegenden
Seiten mittels vorgespannten Federn auf Mitte gehaltenen Schlittenwangen
aufgehängt,
und der von gegenüberliegenden,
umschaltbaren Antriebsmitteln reversierend angetriebene Werkzeugtisch
ist auf Nadellagern angeordnet. Die zahlreichen Nadellager begünstigen
nicht nur die Lauffähigkeit
des reversierenden Werkzeugtisches, für dessen Antriebsmittel sich
beispielsweise Hydraulikzylinder, Stellspindeln oder dergleichen
eignen, sondern sie tragen auch dazu bei, die Kraft beim Rollprägen besser
aufzunehmen.
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Eine
bevorzugte Ausführung
der Erfindung sieht vor, daß die
Prägewalze
mit ihrer Negativ-Mikrostruktur durch einen Spalt eines dem auf
dem Werkzeugtisch abgelegten Blech zugeordneten Niederhalters taucht,
der den Anstellbewegungen der Prägewalze
folgt. Der Niederhalter, der die Prägewalze umschließt und nur
den Durchtauchbereich zum Blech freiläßt, befindet sich während des
Rollprägens somit
stets in Anlage auf dem umzuformenden Blech und hält dieses
flach in seiner Werkzeugtisch-Aufnahme. Gleichzeitig wird die Achse
der Prägewalze von
Kräften
frei gehalten.
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Wenn
nach einer Ausgestaltung der Erfindung das Blech in eine gegenüber dem
Blech nach oben vorstehende, wegtauchbar ausgebildete Maske des
Werkzeugtisches eingelegt ist, trägt das weiter dazu bei, daß das Blech
beim Rollprägen
nicht deformiert wird. Je nach Anforderung läßt sich alternativ eine fixierte,
feste Maske vorsehen, wobei dann der Niederhalter in die Maske eintaucht
und die Prägewalze
sich in einem Fenster des Niederhalters und der Maske abrollt.
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Nach
einem Vorschlag der Erfindung ist das Rollpräge-Werkzeug als mobile Kompakteinheit
ausgebildet. Dies ist aufgrund des beim erfindungsgemäßen Rollprägen geringen
Kraftbedarfs möglich,
so daß das
Werkzeug für
einen mobilen, flexiblen Einsatz geeignet ist, ähnlich dem bei Punktschweißzangen.
So kann bediener- oder robotergeführt am fertigen Pressteil oder
im Karosserie-Rohbau lokal das Rollprägen eingesetzt werden. Gleichfalls
ist eine Integration in große
Werkzeuge, z.B. Karosseriewerkzeuge, an Hydraulikpressen möglich, da
eben nur geringe Kräfte
nötig sind
und ohnehin relativ hohe Zykluszeiten gefahren werden.
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Weitere
Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und
der nachfolgenden Beschreibung eines in den Zeichnungen anhand der
Rollprägung
von Blechen bzw. Plättchen
für Mikro-Wärmetauscher
dargestellten Ausführungsbeispiels
der Erfindung. Es zeigen:
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1 als
Einzelheit eines Rollpräge-Werkzeugs
eine Draufsicht auf das Werkzeugunterteil;
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2 als
Einzelheit eines Rollpräge-Werkzeugs
das Werkzeugoberteil in einer um 180° gedrehten Ansicht, d.h. als
Draufsicht von unten gesehen;
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3 einen
Teillängsschnitt
des Rollpräge-Werkzeugs;
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4 einen
Teilquerschnitt des Rollpräge-Werkzeugs
der 3;
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5 als
Einzelheit in der Draufsicht ein durch Rollprägen partiell umgeformtes Blech
zum Einbau in einen Mikro-Wärmetauscher;
und
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6 ein
Wärmetauscher-Blech ähnlich der 5,
demgegenüber
hergestellt mit einer Abwandlung des partiellen Umformbereichs.
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Ein
in den 3 und 4 in seiner Gesamtheit dargestelltes
Rollpräge-Werkzeug 1 setzt sich
aus einem gemäß Pfeil 2 mittels
eines geeigneten, nicht gezeigten Antriebs heb- und senkbaren Werkzeugoberteil 3 (vgl.
auch 2) und einem Werkzeugunterteil 4 (vgl.
auch 1) zusammen. Das somit gegen das Werkzeugunterteil 4 anstellbare
Werkzeugoberteil 3 wird mit Führungssäulen 5a, 5b von
Führungsbüchsen 6a, 6b des
Werkzeugunterteils 4 aufgenommen und geführt.
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Das
Werkzeugoberteil 3 trägt
in auf einer Druckplatte 7 angeordneten, sich nach unten
erstreckenden Schlittenwangen 9a, 9b eine Prägewalze 8, die
auf einer zentralen Achse 10 antriebslos angeordnet ist.
Die von Führungsleisten 9c geführten Schlittenwangen 9a, 9b werden
von in Bezug auf die Achse 10 der Prägewalze 8 gegenüberliegend
vorgesehenen Federn 11a, 11b bzw. Federpaketen,
die Bolzen 12a, 12b beaufschlagen, auf Mitte gehalten
(vgl. 4). Das gewährleistet,
daß die
in ihrer Mantelfläche über einen
Teilumfang mit einer Negativ-Mikrostruktur 13 ausgebildete
Prägewalze 8 (vgl. 2) stets
aus einer Mittenposition abläuft
bzw. sich abrollt. Die in dieser Ausgangsposition neutrale Drehstellung
der Prägewalze 8 wird
durch ein selbsttätig entriegelbares
Rastmittel 14 festgelegt, im Ausführungsbeispiel gemäß 3 eine
in der Schlittenwange 9b angeordnete, federbelastete, in
eine stirnseitige Vertiefung der Prägewalze 8 einrastende
Kugel.
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Das
Werkzeugunterteil 4 besitzt gemäß den 3 und 4 einen
auf zahlreichen Nadellagern 15 in Richtung des Doppelpfeils 16 von
gegenüberliegenden,
umschaltbaren Antriebsmitteln 17a, 17b (gemäß 4 im
einfachsten Fall Stellspindeln oder Hydraulikzylinder) reversierend
antreibbaren Werkzeugtisch 18. Der Werkzeugtisch 18 stellt
eine Auflage 19 für
die inkrementelle Umformung eines partiellen Bereichs 20 (umzuformende
Fläche)
eines mittels der Negativ-Mikrostruktur 13 umzuformenden
Blechs 21 dar, in das sich die Negativ-Mikrostruktur 13 der Prägewalze 8 abbildet,
wie in den 5 und 6 beispielsweise
für Bleche 21 von
Wärmetauschern gezeigt.
Im Werkzeugoberteil 3 angeordnete Distanzklötze 26 (vgl.
die 2 und 3) und im Werkzeugunterteil 4 angeordnete,
korrespondierende Anschlagklötze 27 fangen
einen eventuellen Kraftüberschuß auf und
bestimmen eine Restdicke des umzuformenden Bleches 21.
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Der
umzuformende partielle Bereich 20 des Bleches 21 ist
zuvor mit Anbindung über
Stege, Ärmchen 22 oder
dergleichen an den verbleibenden Blechrahmen 23 ausgestanzt
worden. Zum Rollprägen
des partiellen Bereichs 20 durch reversierende Bewegungen
des Werkzeugtisches 18 gemäß Pfeil 16 wird die
nicht angetriebene Prägewalze 8 passiv, d.h.
frei laufend unter Andrückung
gegen das Blech 21 mitgenommen, so daß sich die Negativ-Mikrostruktur 13 auf
dem flach liegenden, umzuformenden Material bzw. Blech 21 abrollt.
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Damit
sich das Blech 21 beim Rollprägen nicht deformiert, wird
es in eine beim Ausführungsbeispiel
gegenüber
dem Blech 21 nach oben etwas vorstehende und unter der
Anstell- bzw. Prägekraft wegtauchende
Maske 24 (vgl. auch 1) eingelegt. Beim
Rollprägevorgang
wird das Blech 21 von der nachgiebigen Maske 24 voll
umfänglich
gehalten und fixiert. Zur Vermeidung von Deformationen trägt auch ein
dem auf dem Werkzeugtisch 18 abgelegten Blech 21 zugeordneter
Niederhalter 25 bei. Die Prägewalze 8 taucht durch
einen geringen Spalt des Niederhalters 25 hindurch (vgl. 4).
Der Niederhalter 25 bewegt sich mit der Prägewalze 8 und
bewirkt zudem, daß die
Achse 10 der Prägewalze 8 keine
Kräfte
aufzunehmen braucht.