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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Strukturieren der Oberfläche
einer Blechbahn. Ferner betrifft die Erfindung eine Prägewalze
zur Durchführung des Verfahrens und eine nach dem Verfahren
hergestellte Blechbahn.
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Aus
DE 603 14 775 T2 ist
bekannt, zur Verringerung des Strömungswiderstands einer
einem Fluidstrom ausgesetzten Oberfläche, wie zum Beispiel
der Außenhaut eines Flugzeugs, auf die Oberfläche
eine dünne, mehrschichtige Polymerfolie aufzukleben, die
an ihrer dem Fluid zugewandten Seite eine spezielle Oberflächenstruktur
aufweist. Die Oberflächenstruktur ist einer Haifischhaut
nachempfunden und hat im Wesentlichen parallel zueinander verlaufende
Gipfel, die durch dazwischen befindliche, im Wesentlichen parallel
zueinander verlaufende Täler voneinander beabstandet sind.
Die Herstellung derartiger Folien erfolgt mittels eines Prägekalanders,
der eine Prägewalze und eine damit zusammenwirkende Gegenwalze
aufweist, zwischen denen ein Walzenspalt gebildet ist, durch den
die Polymerfolie hindurchgeführt wird. Die Mantelfläche
einer derartigen Prägewalze besteht aus einem weichen Metal,
wie z. B. Kupfer, in das mittels eines Diamantstößels
eine Negativform der in die Polymerbahn einzuprägenden
Oberflächenstruktur eingraviert wird. Diese wird beim Durchtritt
der Polymerfolie durch den Walzenspalt als Positivform auf die Polymerfolie
abgeformt.
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In
der Praxis hat sich jedoch gezeigt, dass derartige Polymerfolien
einem erheblichen Verschleiß unterliegen, wenn sie einem
Fluidstrom ausgesetzt sind. Auch ist das Aufbringen der Polymerfolie
beispielsweise auf die Außenhaut eines Flugzeugs ist mit
einem gewissen Zeit- und Kostenaufwand verbunden. Daher wurden Polymerfolien
zur Reduzierung des Strömungswiderstands bei Flugzeugen
bislang nur in geringem Umfang eingesetzt.
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Andererseits
ist die relativ weiche Mantelfläche der Prägewalze
aber auch nicht zum Abformen der Oberflächenstruktur in
eine Blechbahn geeignet. Auch die Verwendung eines Walzenkörpers
mit gehärteter Mantelfläche kommt nicht in Betracht,
weil dann der Diamantstößel zu schnell verschleißen
würde.
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Aus
der Praxis ist auch bereits ein Verfahren zum Strukturieren der
Oberfläche einer Blechbahn mit einer relativ groben Struktur
bekannt. Bei dem Verfahren wird mit Hilfe eines Laserstrahls eine Grobstruktur
in eine harte Mantelfläche eines Walzenkörpers
eingraviert, indem der Laserstrahl an unterschiedlichen Stellen
der Mantelfläche positioniert und mit Hilfe des Laserstrahls
Material vom Walzenkörper abgetragen wird. Der auf diese
Weise gravierte Walzenkörper wird rotativ auf eine Blechbahn
abgeformt.
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Bei
dem Gravieren des Walzenkörpers mit Hilfe des Laserstrahls
treten jedoch Fertigungstoleranzen auf, die insbesondere durch einen
bei dem Materialabtrag auftretenden Schmelzaufwurf verursacht sind.
Daher können mit dem Verfahren kleine Strukturen nicht
oder nicht mit der erforderlichen Präzision in die Oberfläche
der Blechbahn eingeprägt werden.
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Es
besteht deshalb die Aufgabe, ein Verfahren anzugeben, mit dem die
Oberfläche einer Blechbahn kostengünstig mit einer
sehr feinen Oberflächenstruktur veredelt werden kann. Ferner
besteht die Aufgabe, eine Prägewalze zur Durchführung
des Verfahrens und eine nach dem Verfahren hergestellte Blechbahn
anzugeben.
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Bezüglich
des Verfahrens wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass ein
glattzylindrischer Walzenkörper bereitgestellt wird, der
an seiner Mantelfläche eine Härte von mindestens
45 HRC aufweist, dass Geometriedaten für eine in die Mantelfläche
einzubringende Feinstruktur bereitgestellt werden, die derart gewählt
sind, dass die in die Oberfläche der Blechbahn abgeformte
Feinstruktur dazu geeignet ist, optische Strahlung zu beugen und/oder
den durch ein Fluid an der Blechbahn hervorgerufenen Strömungswiderstand
herabzusetzen, dass mit Hilfe eines Laserstrahls die Feinstruktur
in die Mantelfläche des Walzenkörpers eingraviert
wird, indem der Laserstrahl an unterschiedlichen Stellen der Mantelfläche
positioniert und mit Hilfe des Laserstrahls Material vom Walzenkörper
abgetragen wird, dass die Strahlqualität M2 des
Laserstrahls kleiner als 1,4 ist und der Laserstrahl mit einer Pulsdauer
von weniger als 1 ns gepulst wird, und wobei die in die Mantelfläche eingebrachte
Feinstruktur als Negativform rotativ auf die Oberfläche
der Blechbahn abgeformt wird. Unter einem Fluid wird ein Gas, eine
Flüssigkeit oder ein sonstiges fließfähiges
Medium verstanden.
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In
vorteilhafter Weise ist es durch die ultrakurze Pulsdauer des Laserstrahls
möglich, beim Gravieren der Mantelfläche des Walzenkörpers
die Bildung flüssiger Schmelze im Bereich der Gravurstelle weitestgehend
zu vermeiden. Daher können auch sehr feine Strukturen,
die dazu geeignet sind, nach ihrer Abformung auf die Blechbahn deren
Strömungswiderstand zu reduzieren und/oder an der Blechbahn
eine optische Lichtbrechung zu bewirken, mit großer Präzision
in die Mantelfläche eingebracht werden. Trotz der relativ
großen Härte der Mantelfläche tritt an
dem Bearbeitungswerkzeug „Laserstahl” kein nennenswerter
Verschleiß auf. Die in die Mantelfläche eingravierte
Feinstruktur wird auf einfache Weise mit Hilfe eines rotativen Abformvorgangs
als Negativform auf die Oberfläche der Blechbahn abgeformt.
Die Blechbahn weist bevorzugt eine polierte, weitestgehend lunkerfreie
Oberfläche auf. Das erfindungsgemäße
Verfahren ermöglicht insbesondere eine kostengünstige
Herstellung von Blechbahnen mit großflächigen,
zusammenhängenden Oberflächenstrukturen.
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Vorteilhaft
ist, wenn die wobei die Pulsdauer des Laserstrahls kleiner als 100
ps, insbesondere kleiner als 20 ps und vorzugsweise kleiner als
10 ps gewählt wird. Die Feinstruktur kann dann noch präziser
in die Mantelfläche des Walzenkörpers eingraviert
werden.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird der die Feinstruktur
aufweisende Walzenkörper derart an einer Gegenwalze positioniert,
dass zwischen dem Walzenkörper und der Gegenwalze ein Walzenspalt
gebildet ist, wobei der Walzenkörper und die Gegenwalze
in zueinander entgegen gesetzte Richtungen in Drehung versetzt werden
und die Blechbahn durch den Walzenspalt hindurchgeführt
wird, wobei Messwerte für die die Spaltweite des Walzenspalts
erfasst und mit mindestens einem Sollwert oder Sollwertbereich verglichen werden,
wobei beim Auftreten einer Abweichung zwischen den Messwerten und
dem Sollwert oder Sollwertbereich die Spaltweite im Sinne einer
Reduzierung der Abweichung verstellt wird und wobei der Sollwert
derart auf die Materialstärke der Blechbahn abgestimmt
wird, dass die Feinstruktur als Negativform von der Mantelfläche
des Walzenkörpers auf die Oberfläche der Blechbahn
abgeformt wird. Dadurch kann eine während des rotativen
Prägeprozesses auftretende Veränderung der Spaltweite
des Walzenspalts, die beispielsweise durch Lagerspiel am Walzenkörper
und/oder der Gegenwalze verursacht sein kann, kompensiert werden.
Die Feinstruktur kann somit noch genauer in die Oberfläche
der Blechbahn abgeformt werden.
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Vorteilhaft
ist, wenn die Feinstruktur zur Reduzierung des von dem Fluid an
der Oberfläche der Blechbahn hervorgerufenen Strömungswiderstands, im
Wesentlichen parallel zueinander verlaufende Gipfel aufweist, die
durch dazwischen befindliche, im Wesentlichen parallel zueinander
verlaufende Täler voneinander beabstandet sind, wobei gegebenenfalls
die Abstände zueinander benachbarter Gipfel kleiner als
250 Mikrometer, gegebenenfalls kleiner als 100 Mikrometer, insbesondere
kleiner als 50 Mikrometer und bevorzugt kleiner als 10 Mikrometer sind.
Die Gipfel können beispielsweise prismenartig mit dreieckigem
Querschnitt ausgestaltet sein. Die Blechbahn kann im Fahrzeugbau
Verwendung finden, insbesondere als Außenhaut von Luft-,
Wasser- und/oder Landfahrzeugen.
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Bei
einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung
weist die Feinstruktur ein optisches Beugungsgitter auf, das mehrere
im Wesentlichen parallel zueinander verlaufende Gräben
hat. Dabei kann der Gitterabstand des Beugungsgitters kleiner als
10 Mikrometer, insbesondere kleiner als 5 Mikrometer und bevorzugt
kleiner als 1 Mikrometer sein. Durch eine solche Feinstruktur kann
eine besonders edle, bei Lichteinfall farbig schimmernde, reflektierende
Oberfläche der Blechbahn erreicht werden. Aus der Blechbahn
kann dann beispielsweise eine Innen- und/oder Außenverkleidungsteil
für ein Kraftfahrzeug, ein Gebäude, ein Gehäuseteil
einer Maschine, ein Möbelstück oder dergleichen
hergestellt werden.
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Bezüglich
der Prägewalze wird die vorstehend genannte Aufgabe dadurch
gelöst, dass die Prägewalze einen Walzenkörper
mit einer im Wesentlichen zylindrischen Mantelfläche aufweist,
die eine Rockwell-Härte von mindestens 45 HRC hat, dass
die Mantelfläche eine Feinstruktur aufweist, die derart
ausgestaltet ist, dass die in die Oberfläche einer Blechbahn
abgeformte Negativform der Feinstruktur optische Strahlung beugt
und/oder den durch ein Fluid an der Oberfläche der Blechbahn
hervorgerufenen Strömungswiderstand herabsetzt. Mit einer solchen
Prägewalze können durch einen rotativen Abformvorgang
Blechbahnen großflächig mit einer lichtbrechenden
und/oder strömungsgünstigen Oberflächenstruktur
versehen werden.
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Bezüglich
der Blechbahn wird die vorstehend genannte Aufgabe dadurch gelöst,
dass sie eine Oberflächenstruktur aufweist, die für
optische Strahlung beugend ist und/oder die den durch ein Fluid
an der Blechbahn hervorgerufenen Strömungswiderstand herabsetzt.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
beschrieben.
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Nachfolgend
sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung
näher erläutert. Es zeigt:
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1 Eine
Lasergraviervorrichtung während des Gravierens der Mantelfläche
einer Prägewalze,
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2 eine
Teilansicht der Mantelfläche eines ersten Ausführungsbeispiels
der Prägewalze,
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3 eine
Teilansicht der Mantelfläche eines zweiten Ausführungsbeispiels
der Prägewalze, und
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4 einen
Prägekalander zum Prägen einer Metallbahn.
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Bei
einem Verfahren zum Strukturieren der Oberfläche einer
Blechbahn 1 wird ein Walzenkörper 2 bereitgestellt,
der eine glattzylindrische Mantelfläche 3 mit
einer Härte von mindestens 45 HRC aufweist (1).
Der Walzenkörper 2 hat an seinen Enden Lagerzapfen 4,
die auf einer gemeinsamen Rotationsachse 5 angeordnet sind.
Der Walzenkörper 2 kann einen Walzenkern und eine
darauf befindliche, die Mantelfläche 3 aufweisende
Hülse haben.
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An
den Lagerzapfen 4 wird der Walzenkörper 2 an
einer Halterung 6 einer im Ganzen mit 7 bezeichneten
Gravurvorrichtung drehbar gelagert. Einer der Lager zapfen 4 steht
mit einem ersten Positionierantrieb 8 in Antriebsverbindung,
mittels dem der Walzenkörper 2 in unterschiedlichen
Drehlagen relativ zu der Halterung 5 positionierbar ist.
Der erste Positionierantrieb 8 ist mit einer in der Zeichnung
nicht näher dargestellten Steuerung verbunden, welche den
ersten Positionierantrieb 8 entsprechend in einem Datenspeicher
abgelegten Positionsdaten ansteuert.
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Am
Umfang des Walzenkörpers 2 ist ein Gravurkopf 9 angeordnet,
der mit Hilfe eines in der Zeichnung nicht näher dargestellten
zweiten Positionierantriebs parallel zur Rotationsachse 5 relativ
zu dem Walzenkörper 2 verschiebbar ist. Der zweite
Positionierantrieb ist derart mit der Steuerung verbunden, dass
der Gravurkopf 9 entsprechend den in dem Datenspeicher
abgelegten Positionsdaten synchron zur Drehbewegung des ersten Positionierantriebs 8 relativ
zu dem Walzenkörper 2 verschoben wird. Dabei kann
entweder der Walzenkörper 2 ortsfest angeordnet
sein und der Gravurkopf 9 verschoben werden oder der Gravurkopf 9 ist
ortsfest und der Walzenkörper 2 wird verschoben.
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In 1 ist
erkennbar, dass der Gravurkopf 9 im Strahlengang eines
Laserstrahls 10 angeordnet ist. Der Laserstrahls 10 wird
mit Hilfe eines gepulsten diodengepumpten Festkörperlasers 12 erzeugt.
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Für
eine in die Mantelfläche 3 einzubringende Feinstruktur 12 werden
Geometriedaten bereitgestellt und in dem Datenspeicher abgelegt.
Die Geometriedaten können mit Hilfe eines Scanners von
einem Muster eingescannt und/oder in einem Rechner beispielsweise
mittels eines geeigneten Algorithmus generiert werden.
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In
dem Gravurkopf 9 ist eine Fokussiereinrichtung, wie z.
B. eine Linsenoptik oder ein Hohlspiegel angeordnet, mittels welcher
der Laserstrahl 10 derart auf die Mantelfläche 3 des
Walzenkörpers 2 fokussiert wird, dass entsprechend
den Geometriedaten in Abhängigkeit von der jeweils mit
Hilfe der Positionierantriebe 8 eingestellten Position
des Walzenkörpers 2 und des Gravurkopfs 9 bereichsweise
Material vom Walzenkörper 2 abgetragen wird. Dabei beträgt
die mittlere Strahlleistung des Laserstrahls etwa 50 W, die Pulsdauer
maximal 10 ps, die Wiederholrate der Laserpulse vorzugsweise etwa
200 KHz und eine Strahlqualität M2 ist
kleiner als 1,3. Je nach Arbeitsgeschwindigkeit kann aber auch eine
höhere oder geringere Wiederholrate zur Anwendung kommen.
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Wie
in 2 erkennbar ist, sind die Geometriedaten der Feinstruktur 12 bei
einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung derart gewählt,
dass die Feinstruktur 12 im Wesentlichen parallel zueinander
verlaufende Gipfel 13 aufweist, die durch dazwischen befindliche,
im Wesentlichen parallel zueinander verlaufende Täler 14 voneinander
beabstandet sind. Die Abstände a zueinander benachbarter
Gipfel 13 können beispielsweise 30 bis 60 Mikrometer
betragen. Die in 2 gezeigte Feinstruktur 12 ist
derart ausgestaltet, dass durch das Abformen der Feinstruktur 12 in
die Oberfläche der Blechbahn 1, der Strömungswiderstand,
den die Blechbahn 1 auf ein mit dieser in Kontakt stehendes,
vorbeiströmendes Fluid ausübt, reduziert wird.
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Bei
einem in 3 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel
sind die Geometriedaten der Feinstruktur 12 derart gewählt,
dass die Feinstruktur 12 ein optisches Beugungsgitter aufweist,
das mehrere im Wesentlichen parallel zueinander verlaufende Gräben 15 mit
etwa rechteckigem Querschnitt hat. Der Abstand zueinander benachbarter
Gräben ist derart gewählt, das Licht, das an der
Oberfläche der Blechbahn 1 reflektiert wird, in
Abhängigkeit von seiner Wellenlänge gebeugt wird.
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Wie
in 4 erkennbar ist, wird der Walzenkörper 2 nach
dem Einbringen der Feinstruktur 12 in die Mantelfläche 3 derart
an einer Gegenwalze 16 positioniert, dass zwischen dem
Walzenkörper 2 und der Gegenwalze 16 ein
Walzenspalt 17 gebildet ist. Deutlich ist erkennbar, dass
der Walzenkörper 2 und die Gegenwalze 16 an
einer Halterung 23 um parallel zueinander verlaufende Achsen
drehbar gelagert sind.
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Mit
Hilfe mindestens eines in der Zeichnung nicht näher dargestellten
elektrischen Antriebs werden der Walzenkörper 2 und
die Gegenwalze 16 in Richtung der Pfeile 18a, 18b in
zueinander entgegen gesetzte Richtungen in Drehung versetzt. Gleichzeitig
wird die Blechbahn 1 durch den Walzenspalt 17 hindurchgeführt.
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Benachbart
zu dem Walzenspalt 17 ist ein Sensor 21 angeordnet,
der Messwerte für die die Spaltweite des Walzenspalts 17 erfasst.
Der Sensor 21 ist mit einem ersten Eingang eines Differenzglieds verbunden.
An einem zweiten Eingang des Differenz glieds ist ein Sollwertgeber
angeschlossen, der ein Sollwertsignal für den Walzenspalt
an den zweiten Eingang anlegt. Ein Ausgang des Differenzglieds ist über
einen Regler 24 derart mit einer Verstellvorrichtung 22 für
die Spaltweite verbunden, dass diese beim Auftreten einer Abweichung
zwischen dem Messwert und dem Sollwertsignal im Sinne einer Reduzierung
der Abweichung verstellt wird. Die Verstellvorrichtung 22 weist
mindestens einen hochdynamischen Stellantrieb auf, vorzugsweise
einen Piezoantrieb.
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Das
Sollwertsignal wird derart auf die Materialstärke der Blechbahn 1 abgestimmt,
dass die Feinstruktur 12 als Negativform von der Mantelfläche 3 des
Walzenkörpers 2 auf die Oberfläche der
Blechbahn 1 abgeformt wird. Während des Abformvorgangs
wird die Blechbahn 1 von einer ersten Blechrolle 19 abgewickelt
und auf eine zweite Blechrolle 20 aufgewickelt. Die Blechbahn 1 wird
also kontinuierlich geprägt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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