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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von mikrostrukturierten Blechen oder Platinen 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 Walzenspalt 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 Längenwachstum 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 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.
