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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abkanten einer strukturierten Materialbahn mit abgekanteten Teilflächen, eine nach dem Verfahren hergestellte abgekantete Materialbahn und Verwendung derselben, insbesondere als formsteife, dünne Wandelemente unter statischer Belastung, wie für Kasten, Kassette, Schaltschrank, Trennwand, Boden-, Wand- oder Deckenelement oder als Brandschutzwand, und ferner als formsteifes und zugleich geräuscharmes, dünnes Wandelement, wie Kasten mit Gebläse, Kassette unter Windlast, Schaltschrank mit Gebläse oder Motor, Trennwand, Boden-, Wand- oder Deckenelement, wie für die Einhausungen von Maschinen und Apparaten und flächige Trenn-, Boden-, Seiten- und Deckenelemente in Fahrzeugen, wie Nutz- und Schienenfahrzeuge, Luft- und Raumfahrzeuge.
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Stand der Technik
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Das Abkanten von Materialbahnen aus Metall oder Kunststoff, kurz Flachmaterial, ist seit vielen Jahrzehnten bekannt und ist in der Regel nur machbar, solange es sich insbesondere um eine glatte, d. h. nicht mehrdimensional strukturierte, Materialbahn handelt. Das Abkanten stellt ein sehr enges Biegen einer Materialbahn zu einer Kante dar, wobei der Betrag des Biegeradius häufig nur etwas größer als die Dicke der Materialbahn ist. Beim Abkanten von Blechen sind Gesenkbiege- oder Schwenkbiegemaschinen üblich. Aus der
DE 7113664 U ist ein Druckbiegewerkzeug mit Formteilen bekannt, von denen mindestens einer aus koaxial ausgerichteten Schichten besteht, wobei jede Schicht mindestens einen Schlitz zur Aufnahme eines Einsatzes aus gehärtetem Stahl zur Aufnahme von Belastungen während des Betriebs des Werkzeugs in den Schlitzen besitzt. Aus der
DE 7238751 U ist ein Kissen zur Verwendung als Matrize beim Stanzen oder Pressen von Blechen in einer Presse bekannt, wobei das Kissen prismatisch ist und aus einem Elastomer geeigneter Härte hergestellt ist und eine innere zylindrische Aussparung besitzt und wobei das Elastomer im Bereich elastischer Deformation arbeitet. Unbefriedigend ist bei der
DE 7113664 U und bei der
DE 7238751 U , dass beide nur für die Umformung von glatten Materialien, wie Blechen, geeignet sind. Denn beim engen Biegen oder Abkanten von dreidimensional strukturierten Blechen würden bei der der
DE 7113664 U die gerade Kontur der Patrize (in ihrer Längsrichtung) und ebenso bei der
DE 7238751 U die gerade Kontur der Stempels (in seiner Längsrichtung) die gerundeten Konturen eines mehrdimensional strukturierten Bleches beschädigen oder sogar einknicken lassen. Beim engen Biegen von Papier, Pappe und Folien spricht man vom Falten. Wenn beispielsweise ein Wellblech abgekantet werden soll, treten große Schwierigkeiten auf, wenn das Abkanten des Wellblechs quer zur Wellenform erfolgen soll. Das liegt daran, dass das Wellblech quer zur Wellenform gerafft, d. h. in seiner lichten Länge verkürzt, ist. Analoge Schwierigkeiten können dann auftreten, wenn das Blech oder die Materialbahn mit einer mehrdimensionalen Strukturierung ausgestattet wird und zugleich in mehreren Richtungen eine hohe Versteifung zu erzielen ist. Zwecks hoher Versteifung, insbesondere Biege- und Beulsteifigkeit, sollen die Strukturen mit einer Strukturtiefe ausgestattet werden, die im Vergleich zur Materialdicke um einen mehrfachen Betrag größer ist. Mechanisch wird eine derartige Erhöhung der Steifigkeit angenähert durch das größere Flächenträgheitsmoment der strukturierten Materialbahn im Vergleich zur glatten Materialbahn beschrieben.
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Mehrdimensional versteifte, sogenannte makro- oder grobstrukturierte, insbesondere viereckig, hexagonal oder wappenförmig beul- bzw. wölbstrukturierte (
EP 0693 008 A1 ,
EP 0900 131 A1 ,
EP 0888 208 A1 ) oder dreidimensional wellenförmig strukturierte (
DE 10 2005 041 516 B4 ) oder dreidimensional facettenförmig strukturierte (
DE 10 2005 041 555 B4 ) Materialien gewinnen im effektiven Leichtbau immer mehr an Bedeutung, um Material und Transportgewicht und Transportenergie erheblich einzusparen zu können. Weil die beul- bzw. wölbstrukturierten oder dreidimensional wellenförmig strukturierten oder dreidimensional facettenförmig strukturierten Materialen vorzugsweise auf der Basis einer Selbstorganisation und des Energieminimierungsprinzips entstehen, wird der Werkstoff und die Oberflächengüte bei dieser Art des Strukturierens im Vergleich zu den mittels konventioneller, flächiger Formwerkzeuge geprägten, wie genoppten, oder beispielsweise den mit Höckern oder Näpfen versehenen, Materialbahnen, wie Blechen, nur sehr gering beansprucht (plastifiziert). Man würde gerne derartig mehrdimensional strukturierte, vorzugsweise beul- bzw. wölbstrukturierten oder dreidimensional wellenförmig strukturierte oder dreidimensional facettenförmig strukturierte, Materialbahnen vorzugsweise mit tiefen Strukturen ausstatten, um ihnen eine hohe Steifigkeit zu verleihen, und dann durch Abkanten beispielsweise Kästen, Kassetten, Schaltschränke, Einhausungen oder Boden- bzw. Deckenteile, mit drastisch reduziertem Gewicht herstellen zu können. Das aber noch nicht möglich, weil hierfür noch keine geeignete Abkanttechnik – ohne Gefahr eines Verzuges des abgekanteten strukturierten Bauteils – existiert. Die Ursache für den unerwünschten Verzug des abgekanteten Bauteils besteht insbesondere darin, dass beim Abkanten von mehrdimensional strukturierten Materialbahnen bisher störende Längendifferenzen (gemeint sind die lichten Längen) zwischen den strukturierten Wandbereichen, wie Boden und Flanken, einerseits und dem Bereich der Kante andererseits, auftreten.
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Bei abgekanteten, dünnen Wandelementen und Bauteilen, die im späteren Betrieb nicht nur statisch sondern auch dynamisch beansprucht werden, insbesondere als Karosserieteil oder als Trennwände von Fahrzeugen verschiedenster Art, ferner in Maschinen, Apparaten und Hausgeraten mit rotierenden Antrieben sowie unter Sog-Druck bei Wind belasteten Fassaden- oder Dachverkleidungen, kommt eine weitere wesentliche Anforderung hinzu: Vermeidung oder zumindest Reduzierung des akustisches Dröhnens, insbesondere bei tiefen Resonanzen durch induzierte Vibrationen, sowie des lauten Klapperns infolge von Instabilitäten abgekanteter, dünnwandiger Materialbahnen, insbesondere Blechteile. Recherchen und eigene experimentelle Untersuchungen haben ergeben, dass abgekantete, dünnwandige Bauteile häufig nur deshalb mit einer vergleichsweise großen Wandstärke ausgestattet wurden, damit die genannten, unerwünschten akustischen Auswirkungen ausgeschlossen werden. Die bisherig häufige Verwendung von vergleichsweise dicken Wänden (zur Minderung der störenden akustischen Effekte) steht leider im krassen Widerspruch zum zukünftig immer bedeutsamer werdenden Ziel eines effektiven Leichtbaus, Ressourcen an Material und Energie drastisch einzusparen.
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Die bisherigen großen Schwierigkeiten beim Abkanten von mehrdimensional strukturierten, insbesondere tief strukturierten, wie beul- bzw. wölbstrukturierten oder dreidimensional wellenförmig strukturierten oder dreidimensional facettenförmig strukturierten und ferner von mechanisch geprägten, wie geometrisch ähnlichen, mehrdimensionalen Strukturen bestehen aus den folgenden Gründen: Damit beispielsweise eine hexagonal wölbstrukturierte Blechbahn abgekantet werden kann, müsste man sowohl die Falten als auch die Mulden (dreidimensionale dünne Schale) zu einer Kante umformen. Dabei entstehen Instabilitäten und ein störendes Einknicken der Falte und der Mulde, welches große örtliche Plastifizierungen des Werkstoffs mit der Gefahr von Rissen verursacht.
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Aufgabenstellung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Herstellen einer abgekanteten, strukturierten, insbesondere mehrdimensional strukturierten, vorzugsweise beul- bzw. wölbstrukturierten oder dreidimensional wellenförmig strukturierten oder dreidimensional facettenförmig strukturierten, Materialbahn oder alternativ einer mittels zwei Formwerkzeugen oder mittels einem Formwerkzeug und einem Wirkmedium strukturierten Materialbahn, welche die Materialbahn versteifen und Vibrationen dämpfen und ein Klappern verhindern oder zumindest stark reduzieren, insbesondere für formsteife, dünne Wandelemente unter statischer Belastung, wie für Kasten, Kassette, Schaltschrank, Trennwand, Boden-, Wand- oder Deckenelement oder als Brandschutzwand, und ferner als formsteifes und zugleich geräuscharmes, dünnes Wandelement, wie Kasten mit Gebläse, Kassette unter Windlast, Schaltschrank mit Gebläse oder Motor, Trennwand, Boden-, Wand- oder Deckenelement, wie für die Einhausungen von Maschinen und Apparaten und flächige Trenn-, Boden-, Seiten- und Deckenelemente in Fahrzeugen, wie Nutz- und Schienenfahrzeuge, Luft- und Raumfahrzeuge.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Herstellen einer abgekanteten, dreidimensional strukturierten, insbesondere tief strukturierten, vorzugsweise beul- bzw. wölbstrukturierten, Materialbahn nach dem unabhängigen Anspruch 1, durch eine abgekantete, insbesondere dreidimensional strukturierte Materialbahn im unabhängigen Anspruch 17, durch eine durch eine Verwendung der dreidimensional strukturierten Materialbahn insbesondere als formsteifes dünnes Wandelement bei vorzugsweise statischer Belastung, wie für Kasten, Kassette, Schaltschrank, Trennwand, Boden-, Wand- oder Deckenelement oder als Brandschutzwand im Anspruch 18 und ferner als formsteifes und geräuscharmes, dünnes Wandelement, wie Kasten mit Gebläse, Kassette unter Windlast, Schaltschrank mit Gebläse oder Motor, Trennwand, Boden-, Wand- oder Deckenelement, wie für die Einhausungen von Maschinen und Apparaten und flächige Trenn-, Boden-, Seiten- und Deckenelemente in Fahrzeugen, wie Nutz- und Schienenfahrzeuge, Luft- und Raumfahrzeuge im Anspruch 19. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Diese komplexe Aufgabenstellung wird nach einem Aspekt der Erfindung dadurch gelöst, dass eine Materialbahn, insbesondere Blechmaterialbahn, mit dreidimensionalen Strukturen, vorzugsweise werkstoff- und oberflächenschonend mit beul- bzw. wölbförmigen Strukturen, ausgestattet und dann so abgekantet wird, dass beim örtlichen Umformen der dreidimensional strukturierten Materialbahn die Falten und Mulden der Strukturen nicht unkontrolliert einknicken sondern durch eine biegende Verformung so zu einer Kante umgeformt werden, dass erstens die lichte Länge der Kante gleich der lichten Länge des Bodens und der Flanken der strukturierten abgekanteten Materialbahn ist, dass zweitens der Bereich der Kante sowie der Bereich des strukturierten Bodens und der strukturierten Flanken versteift werden und drittens ein Klappern der abgekanteten, strukturierten Materialbahn vermieden oder zumindest stark reduziert wird. Nach der Erfindung wird das dadurch erreicht, dass in einem primären Herstellungsschritt eine Materialbahn mit regelmäßig angeordneten Strukturen, vorzugsweise tiefen Strukturen, insbesondere mit beul- oder wölbförmigen Strukturen, mit Falten und Mulden versehen wird und dadurch eine Raffung im der strukturierten Materialbahn gebildet wird, und dann Erhebungen in der Kante eines Stempels, die der Anordnung der Strukturen der Materialbahn angepasst gebildet sind, örtlich gegen die konvexe Seite der Falten der Materialbahn drücken, wobei auf der Gegenseite der Materialbahn zunächst nur die beiden Schenkel einer V-förmigen Matrize gegen die beiden Flanken der konvexen Seite der Wölbmulden drücken, wobei die Wölbmulden quer zur V-förmigen Matrize zunehmend tiefer und senkrecht dazu zunehmend flacher ausgebildet werden, wobei dann die konvexe Seite dieser Wölbmulden gegen konvex gerundete Druckelemente, die in einer Matrize angeordnet und der Struktur der Materialbahn angepasst sind, gegen die konvexe Seite der Wölbmulden der Materialbahn drücken, und so eine strukturierte Kante aus Gegenbeulen, vorzugsweise tiefen, breiten Gegenbeulen gebildet wird, wobei die Raffung dieser strukturierten Kante gleich oder zumindest nahezu gleich der Raffung in der strukturierten Materialbahn ist.
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Die Zusammenhänge bei der Überwindung der bisherigen Schwierigkeiten beim Abkanten dreidimensional, insbesondere tief strukturierter Materialbahnen werden im Folgenden näher erläutert und begründet: Beim Abkanten von Materialbahnen, die mit mehrdimensional versteifenden Strukturen ausgestattet sind, treten erhebliche Schwierigkeiten besonders dann auf, wenn beim Abkanten der Werkstoff der strukturierten Materialbahn nur sehr wenig zusätzlich plastifiziert werden darf oder soll. Das ist ganz besonders dann vonnöten, wenn Leichtbauwerkstoffe, wie beispielsweise Aluminium, oder höherfeste Stähle, die nur über geringe Plastifizierungsreserven verfügen, abgekantet werden sollen. Faserige Werkstoffe, wie Papier, Pappe oder beispielsweise mit Fasern verstärkte Kunststoffe besitzen keine oder nur sehr geringe Dehnwerte und können nach Stand der Technik beim Abkanten leicht einknicken und reißen. Beim Abkanten von mehrdimensional strukturierten, insbesondere tief strukturierten, Materialbahnen konnten bisher im Bereich der Kante große Dehnungen des Werkstoffes auftreten, weil dem Werkstoff große geometrische Formänderungen quasi aufgezwungen wurden. Bei beul- bzw. wölbstrukturierten Materialien konnten die Falten und die Mulden leicht einknicken und dadurch einen Verzug der abgekanteten Materialbahn hervorrufen. Ein störender Verzug kann sogar auch bereits dadurch entstehen, dass die beul- bzw. wölbstrukturierte Materialbahn, welche durch den primären Strukturierungsprozess der Materialbahn etwas gerafft (d. h. in ihrer lichten Länge etwas verkürzt) wurde, infolge des Aufbiegens der Falten und Mulden im Bereich der Kante (beim Abkanten) wieder etwas gestreckt wird, während der Boden und die Flanken der abgekanteten, strukturierten Materialbahn ihre verkürzte lichte Länge (Raffung) beibehalten. Die zu lösende Aufgabe besteht deshalb insbesondere darin, eine definierte Raffung im Bereich der Kante zu erzeugen, welche der Raffung der strukturierten Materialbahn angepasst ist, indem die unvermeidbare örtliche Streckung im Bereich der Kante (infolge des teilweisen Aufbiegens der Falten und Mulden) der strukturierten Materialbahn mit Hilfe von sekundären Strukturen im Bereich der Kante kompensiert wird. Um den Werkstoff und die Oberfläche der strukturierten Materialbahn zu schonen, wird das nach der Erfindung durch eine stetige, vorzugsweise isometrisch biegende Umformung erreicht. Überraschend ist, dass das ohne Instabilitäten und mit geringen Plastifizierungen des Werkstoffes im Bereich der Kante erfolgen kann. Nach der Erfindung wird das durch ein stetiges, enges Biegen der dreidimensional strukturierten Materialbahn erreicht, wobei im Bereich der zu bildenden Kante zunächst die Falten etwas abgeflacht werden und ferner die dreidimensionale Gestalt der Mulde stetig in eine Art etwa zylindrischer (zweidimensionaler) Mulde bzw. Zylinderschale umgebogen wird. Es ist dem Fachmann von der Theorie dünner Schalen (siehe beispielsweise im Buch „Biegsame Platten und Schalen” von A. S. Wolmir, VEB Verlag für Bauwesen Berlin, 1962) bekannt, dass sich zylindrische Schalen einfacher (mit wesentlich geringerer Verformungsenergie) seitlich zu einer Beule eindrücken lassen als bei den dreidimensional gekrümmten Schalen gleicher Wanddicke. Nach der Erfindung lassen sich in dreidimensional strukturierten, vorzugsweise beul- bzw. wölbstrukturierten, Materialbahnen, insbesondere durch eine isometrische, biegende Verformung, Gegenbeulen im Bereich der Kante herstellen.
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Nach der Erfindung wird gleichzeitig die Formsteifigkeit, insbesondere gegen Aufbiegen, einer hexagonal makrostrukturierten, insbesondere beul- oder wölbförmig oder dreidimensional wellenförmig strukturierten, Materialbahn dann erheblich erhöht, wenn die Abkantung quer zu den zick-zackförmigen Falten oder Wülsten erfolgt. Da eine hexagonale oder wappenförmige Makrostruktur in Richtung der zick-zackförmigen Falten oder Wülsten einerseits und in senkrechter Richtung dazu unterschiedliche geometrische Abstände der Falten bzw. Wülste zueinander aufweisen, werden nach der Erfindung die Konturen der Schneidkante und der konvex gekrümmten Druckelemente in der Matrize vorzugsweise verschiedene, der Richtung der Makrostruktur der Materialbahn definiert angepasste, Abstände zueinander aufweisen.
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Eine Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass eine dreidimensional wellenförmig strukturierte Materialbahn abgekantet wird. Eine dreidimensional wellenförmig strukturierte Materialbahn (
DE 10 2005 041 516 B4 ) unterscheidet sich von der beul- bzw. wölbstrukturierten Materialbahn (
EP 0693 008 A1 ,
EP 0900 131 A1 ,
EP 0888 208 A1 ) dadurch, dass anstatt der Falten mit kleinem Krümmungsradius, kurz Falten (
EP 0693 008 A1 ,
EP 0900 131 A1 ,
EP 0888 208 A1 ) genannt, mehr gerundete Falten mit einem größeren Krümmungsradius, kurz Wülste (
DE 10 2005 041 516 B4 ) genannt, und anstatt der in ihrer Mitte etwas abgeflachten Mulden, kurz Mulden (
EP 0693 008 A1 ,
EP 0900 131 A1 ,
EP 0888 208 A1 ) genannt, eher kugelförmige Mulden, kurz Kalotten (
DE 10 2005 041 516 B4 ) genannt, gebildet werden. Dadurch wird der Werkstoff sowie die Oberflächengüte beim dreidimensional wellenförmig Strukturieren noch mehr geschont als beim beul- bzw. wölbförmigen Strukturieren. Eigene experimentelle Untersuchungen beim Abkanten haben ergeben, dass sich dreidimensional wellenförmig strukturierte Materialbahnen in einer analogen Weise abkanten lassen wie die beul- bzw. wölbstrukturierten Materialbahnen.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass eine dreidimensional facettenförmig strukturierte Materialbahn abgekantet wird. Die dreidimensional facettenförmig strukturierte Materialbahn wird vorzugsweise in einem zweistufigen Strukturierungsprozess (
DE 10 2005 041 555 B4 ) gebildet und weisen eine noch mehr isotrope Biegesteifigkeit auf als die beul- bzw. wölbstrukturierte Materialbahn (
DE 10 2005 041 555 B4 ). Eigene experimentelle Untersuchungen beim Abkanten haben ergeben, dass sich dreidimensional facettenförmig strukturierte Materialbahnen in einer analogen Weise abkanten lassen wie die beul- bzw. wölbstrukturierten Materialbahnen.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die beul- bzw. wölbstrukturierten oder die dreidimensional wellenförmig strukturierte oder die dreidimensional facettenförmig strukturierte Materialbahn vorzugsweise auf der Basis einer Selbstorganisation gebildet wird, wobei der Werkstoff sowie die Oberflächengüte der Materialbahn besonders geschont werden und somit große Plastifizierungsreserven für sekundäre Umformungen zur Verfügung stehen. Nach der Erfindung können beul- bzw. wölbstrukturierten oder dreidimensional wellenförmig strukturierte oder dreidimensional facettenförmig strukturierte Materialbahnen aber auch mit Hilfe von durch geometrisch angepasste Formwerkzeuge, wie Stempel oder Matrize oder durch ein geometrisch angepasstes Formwerkzeug und ein Wirkmedium sowie durch Streck-Tiefziehen mittels flächiger Formwerkzeuge, wie Prägewerkzeuge, wie Stempel oder Matrize oder durch ein geometrisch angepasstes Prägewerkzeug und ein Wirkmedium gebildet und dann abgekantet werden.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass Werkstoffe oder Materialien vorzugsweise mit geringen Dehngrenzen, wie höherfeste Stahllegierungen oder Leichtbauwerkstoffe, wie Aluminiumlegierungen oder Titan, oder Lochbleche oder faserige Stoffe, insbesondere Faser- oder Maschengewebe, Papier, Pappe, oder faserverstärkte thermoplastische Kunststoffe oder Verbundmaterialien verwendet werden.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass Werkstoffe oder Materialien vorzugsweise mit großen Dehngrenzen, wie duktile Stahllegierungen oder duktile Leichtbauwerkstoffe, wie Aluminium, oder aus faserigen Stoffen, wie gestrickte Faser- oder Maschengewebe oder Verbundmaterialien verwendet werden.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass beim Abkanten im Bereich der strukturierten, insbesondere mittels tiefer und breiter Gegenbeulen strukturierten, Kante die Rückfederung stark reduziert ist gegenüber der abgekanteten, nicht strukturierten Materialbahn. Das ergibt sich aus dem vergleichsweise größeren Flächenträgheitsmoment im Bereich der strukturierten Kante; mit anderen Worten: Bei einer Deformation um einen bestimmten Winkel gelangt man im Falle der strukturierten Kante eher in den plastischen Werkstoffbereich als bei der nicht strukturierten Kante.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass beim Abkanten einer strukturierten Materialbahn, vorzugsweise einer hexagonal oder wappenförmig oder versetzt-viereckig beul- oder wölbstrukturierten Materialbahn, zwei unterschiedliche Fälle der geometrischen Anordnung der Strukturen zur Richtung der Materialbahn (gemeint ist die Richtung beim primären Herstellungsprozess der Strukturen in der Materialbahn) zur Anwendung kommen: Für den Fall einer Abkantung der Materialbahn in Richtung der primären Strukturierung drückt der Stempel gegen die Falten oder Wülste quer zur Strukturierungsrichtung. Für den Fall einer Abkantung der Materialbahn quer zur Richtung der primären Strukturierung drückt der Stempel gegen die Falten oder Wülste in Strukturierungsrichtungsrichtung, d. h. bei den hexagonal oder wappenförmig oder facettenförmig gebildeten Strukturen gegen die zick-zack-förmigen Falten oder Wülste. Diese zick-zack-förmigen Falten oder Wülste in Richtung der Materialbahn sind – resultierend aus dem Strukturierungsprozess – infolge der Strukturierung aus der Krümmung heraus (
EP 0900 131 A1 ) sowie durch das Richten in die ebene Gestalt (
DE 198 56 236 A1 ) tiefer ausgebildet als die Falten oder Wülste quer zur Richtung der strukturierten Materialbahn. Deshalb werden nach der Erfindung die Gegenbeulen in der Kante im Falle des Abkantens quer zur strukturierten Materialbahn tiefer ausgebildet als im Falle des Abkantens in Richtung der strukturierten Materialbahn.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die abgekantete, strukturierte Materialbahn mit regelmäßig angeordneten Strukturen, wie beul- oder wölbförmigen Strukturen, mit Falten und Mulden, versehen ist, wobei die Kante der strukturierten Materialbahn mit Gegenbeulen ausgestattet ist, wobei die Raffung dieser strukturierten Biegekante gleich oder zumindest nahezu gleich der Raffung in der strukturierten Materialbahn ist, und die abgekantete Materialbahn sowohl in der Biegekante als auch im Boden und in den Flanken versteift ist, ferner eine reduzierte Auffederung oder Rückfederung aufweist, Vibrationsschwingungen abdämpft, ein vermindertes Klappern des Bodens oder der Flanken aufweist und die Oberflächengüte des vorveredelten Ausgangsmaterials der Materialbahn vollkommen oder zumindest nahezu vollkommen beibehält.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die abgekantete, strukturierte Materialbahn vorzugsweise bei statischen Belastungen als formsteifes dünnes Wandelement, wie für Kasten, Kassette, Schaltschrank, Trennwand, Boden-, Wand- oder Deckenelement oder als Brandschutzwand zur Anwendung kommt. Dabei trägt nicht nur die dreidimensional strukturierten Wände in Gestalt des Bodens oder des Schenkels des gekanteten Bauteils sondern auch die Strukturierung, insbesondere in der Gestalt einer tiefen und breiten Gegenbeule, der Kante selbst zur hohen Gesamtsteifigkeit bei. Das haben eigene experimentelle Versuchsergebnisse am Beispiel einer abgekanteten Materialbahn aus Aluminiumblech der Dicke 0,8 mm quantitativ bestätigt.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die abgekantete, strukturierte Materialbahn vorzugsweise als formsteifes und geräuscharmes, dünnes Wandelement für dynamische sowie statische Belastungen, wie Kasten mit Gebläse, Kassette unter Windlast, Schaltschrank mit Gebläse oder Motor, Trennwand, Boden-, Wand- oder Deckenelement, wie für die Einhausungen von Maschinen und Apparaten und flächige Trenn-, Boden-, Seiten- und Deckenelemente in Fahrzeugen, wie Nutz- und Schienenfahrzeuge, Luft- und Raumfahrzeuge.
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Eigene experimentelle Rüttelversuche an einer abgekanteten Materialbahn aus Aluminiumblech der Dicke 0,8 mm wiesen nach, dass am Beispiel eines hexagonal wölbstrukturierten, abgekanteten Bauteils das laute Klappern (infolge eines dynamischen Durchschlagens des Bodens) im Gegensatz zum nicht strukturierten, abgekanteten Bauteil vollständig ausgeschlossen wird. Das ist der vorteilhafte Einfluss der Strukturierungen sowohl in der Materialbahn als auch in der Kante selbst, und das gilt sogar für sehr dünne Materialbahnen. Diesen Zusammenhang kann man auch theoretisch erklären: Die Ursache hierfür ist der sogenannte dynamische Durchschlageffekt schwach vorgekrümmter, dünnwandiger Schalen. Das lässt sich quantitativ mit Hilfe der Mechanik, speziell der Theorie biegsamer Schalen, erklären. Die auf der Seite 103, des Buches „Biegsame Platten und Schalen” von A. S. Wolmir, VEB Verlag für Bauwesen Berlin, 1962, zeigt, dass eine an den Rändern fixierte Platte mit einer Anfangsausbiegung entgegen der Belastungsrichtung insbesondere dann einen Durchschlag erfährt, wenn die Höhe der Vorbiegung (Krümmung) der Platte größer ist als die Dicke der Platte selbst.
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Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele:
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
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1 schematisch ein Verfahren zum Herstellen einer abgekanteten, hexagonal wölbstrukturierten und gerichteten Materialbahn in einem primären Herstellungsschritt für das Wölbstrukturieren und einen anschließenden Schritt für das Abkanten mit Gegenbeulen durch einen Stempel mit Erhebungen in seiner Stempelkante und durch eine V-förmige Matrize mit konvex gerundeten Druckelementen,
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2 schematisch die Anordnung einer Materialbahn, die in der Längsrichtung der hexagonalen Wölbstrukturierung längs der Abkantvorrichtung positioniert ist und quer zu den Falten 7 abgekantet wird, mit
2, linker Teil, schematisch – vor der eigentlichen Abkantung – den Längsquerschnitt der hexagonal wölbstrukturierten Materialbahn und den Längsquerschnitt einer V-förmigen Matrize mit konvex gerundeten Druckelementen und die seitliche Draufsicht auf einen Stempel mit den Erhebungen in seiner Stempelkante im mittleren Bild, und die Draufsicht von oben auf eine V-förmige Matrize mit den gerundeten Druckelementen im unteren Bild, rechts, und die Draufsicht auf die hexagonal wölbstrukturierte Materialbahn mit nach oben angeordneten Falten im unteren Bild, links, und die Draufsicht von unten auf einen Stempel mit Erhebungen in seiner Stempelkante,
2, rechter Teil, schematisch den Querschnitt einer quer zur hexagonal wölbstrukturierten Materialbahn, den Querschnitt quer zur V-förmigen Matrize mit den konvex gerundeten Druckelementen und den Querschnitt quer zu einem Stempel mit einer Stempelkante mit Erhebungen, wobei die strukturierte Materialbahn auf den Schenkeln einer V-förmigen Matrize aufliegt,
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3 schematisch den Längsquerschnitt einer hexagonal wölbstrukturierten Materialbahn, den Längsquerschnitt einer V-förmigen Matrize mit konvex gerundeten Druckelementen und die seitliche Draufsicht eines Stempels mit Erhebungen in seiner Stempelkante, wobei die Erhebungen der Stempelkante von oben gegen die Falten, die quer zur hexagonal wölbstrukturierten Materialbahn angeordnet sind, drücken, und von unten die Schenkel der V-förmigen Matrize gegen die beiden seitlichen Bereiche der Mulden der wölbstrukturierten Materialbahn drücken, im Bild links, und den Querschnitt einer hexagonal wölbstrukturierten Materialbahn, den Querschnitt eines Stempels mit einer Erhabenheit in seiner Stempelkante, die sich im Eingriff befindet, und den Querschnitt einer V-förmigen Matrize mit Druckelementen, die noch nicht im Eingriff sind, mittleres Bild, und den Querschnitt einer hexagonal wölbstrukturierten Materialbahn, den Querschnitt eines Stempels mit einer Stempelkante mit einer Erhabenheit, die sich nicht im Eingriff befindet, den Querschnitt einer V-förmigen Matrize mit einem Druckelement, wobei sich nur die Oberkante des V-förmigen Schenkels einer Matrize im Eingriff befindet, Bild rechts,
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4 schematisch den Längsquerschnitt einer hexagonal wölbstrukturierten Materialbahn, den Längsquerschnitt einer V-förmigen Matrize mit konvex gerundeten Druckelementen und die seitliche Draufsicht eines Stempels mit Erhebungen in seiner Stempelkante, wobei die Erhebungen der Stempelkante von oben gegen die Falten, die quer zur hexagonal wölbstrukturierten Materialbahn angeordnet sind, drücken, und von unten die konvex gerundeten Druckelemente gegen den mittleren Bereich der konvexen Seite der Mulden der wölbstrukturierten Materialbahn drücken, Bild links, und den Querschnitt einer hexagonal wölbstrukturierten Materialbahn, den Querschnitt einer V-förmigen Matrize mit konvex gerundeten Druckelementen und einen Stempel mit Erhebungen in seiner Stempelkante, wobei im mittleren Bild die Erhabenheit eines Stempels sowie die obere Kante eines Schenkels einer V-förmigen Matrize und im rechten Bild eine obere Kante eines Schenkels einer V-förmigen Matrize sowie ein konvex gekrümmtes Druckelement im Eingriff sind,
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5 schematisch den Längsquerschnitt einer hexagonal wölbstrukturierten Materialbahn, den Längsquerschnitt einer V-förmigen Matrize mit konvex gerundeten Druckelementen und die seitliche Draufsicht eines Stempels mit Erhebungen in seiner Stempelkante, wobei die Erhebungen einer Stempelkante von oben gegen die Falten, die quer zu einer hexagonal wölbstrukturierten Materialbahn angeordnet sind, drücken, und von unten die konvex gerundeten Druckelemente so gegen den mittleren Bereich der konvexen Seite der Mulden der wölbstrukturierten Materialbahn drücken, dass Gegenbeulen in der Kante der strukturierten Materialbahn gebildet werden, deren Gestalt der Negativform der konvex gerundeten Druckelemente entspricht, Bild links, und den Querschnitt einer hexagonal wölbstrukturierten Materialbahn, den Querschnitt einer V-förmigen Matrize mit konvex gerundeten Druckelementen und den Querschnitt eines Stempels mit einer Erhebung in seiner Stempelkante, wobei im mittleren Bild die Flanken eines Stempels sowie die Schenkel einer V-förmigen Matrize den gewünschten Abkantwinkel 90° der Materialbahn aufzwangen und im rechten Bild die Flanken eines Stempels sowie die Schenkel einer V-förmigen Matrize den gewünschten Abkantwinkel 90° der Materialbahn aufzwängen, und gleichzeitig ein Druckelement (in der V-förmigen Matrize) eine Gegenbeule der Materialbahn aufzwängt, deren Form der Negativform eines konvex gekrümmten Druckelementes entspricht, und eine anschauliche etwa perspektivische Darstellung der unterschiedlich gerade schraffierten, abgekanteten Teilflächen der Materialbahn mit den gebildeten Gegenbeulen, gekennzeichnet durch die gerundeten Schaffierungen in den Gegenbeulen, unteres Bild,
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6 schematisch die Anordnung der Materialbahn, die quer zur Richtung der hexagonalen Wölbstrukturierung in der Abkantvorrichtung positioniert ist und entlang der Falten 7 abgekantet wird, mit
6, linker Teil, schematisch – vor der eigentlichen Abkantung – den Querschnitt einer hexagonal wölbstrukturierten Materialbahn und den Längsquerschnitt einer V-förmigen Matrize mit konvex gerundeten Druckelementen und die seitliche Draufsicht auf einen Stempel mit Erhebungen in seiner Stempelkante im mittleren Bild, und die Draufsicht auf eine V-förmige Matrize mit konvex gerundeten Druckelementen im unteren Bild, rechts, und die Draufsicht auf die hexagonal wölbstrukturierte Materialbahn mit nach oben angeordneten Falten im unteren Bild, links, und die Draufsicht von unten auf einen Stempel mit Erhebungen in seiner Stempelkante im oberen Bild,
6, rechter Teil, schematisch den Querschnitt einer quer zur hexagonal wölbstrukturierten Materialbahn, den Querschnitt quer zur V-förmigen Matrize mit den konvex gerundeten Druckelementen und den Querschnitt quer zu einem Stempel mit Erhebungen in seiner Stempelkante, wobei die strukturierte Materialbahn auf den Schenkeln einer V-förmigen Matrize nur punktweise aufliegt,
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7 schematisch den Längsquerschnitt einer hexagonal wölbstrukturierten Materialbahn, den Längsquerschnitt einer V-förmigen Matrize mit konvex gerundeten Druckelementen und die seitliche Draufsicht eines Stempels mit Erhebungen in seiner Stempelkante, wobei die Erhebungen einer Stempelkante von oben gegen die Falten, die quer zu einer hexagonal wölbstrukturierten Materialbahn angeordnet sind, drücken, und von unten die konvex gerundeten Druckelemente so gegen den mittleren Bereich der konvexen Seite der Mulden der wölbstrukturierten Materialbahn drücken, dass Gegenbeulen in der Kante der strukturierten Materialbahn gebildet werden, deren Gestalt der Negativform der konvex gerundeten Druckelemente entspricht, Bild links, und den Querschnitt einer hexagonal wölbstrukturierten Materialbahn, den Querschnitt einer V-förmigen Matrize mit konvex gerundeten Druckelementen und den Querschnitt eines Stempels mit einer Erhebung in seiner Stempelkante, wobei im mittleren Bild die Flanken eines Stempels sowie die Schenkel einer V-förmigen Matrize den gewünschten Abkantwinkel 90° der Materialbahn aufzwängen und im rechten Bild die Flanken eines Stempels sowie die Schenkel einer V-förmigen Matrize den gewünschten Abkantwinkel 90° der Materialbahn aufzwängen, und gleichzeitig ein Druckelement (in der V-förmigen Matrize) eine Gegenbeule der Materialbahn aufzwängt, deren Form der Negativform eines konvex gekrümmten Druckelementes entspricht.
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In der
1 ist schematisch ein Verfahren zum Herstellen einer abgekanteten, hexagonal wölbstrukturierten Materialbahn
1, in deren Mulden
6 Gegenbeulen
19 (sichtbar in
5) angeordnet sind, dargestellt. Zunächst wird mit Hilfe einer Elastomerschicht
2 auf einer Druckwalze
3 die Materialbahn
1 gegen eine Stützelementwalze
4, auf der die hexagonalen Stützelemente
5 angeordnet sind, gedrückt, so dass hexagonale Wölbstrukturen, bestehend aus Mulden
6 und Falten
7, quer zur Laufrichtung der Materialbahn
1, sowie Falten
8, in Laufrichtung der Materialbahn
1, entstehen. In dieser Ansicht sind die Falten
8 des Hexagons lediglich als Sichtkante zu erkennen. Alternativ können anstatt der hexagonalen Wölbstrukturen mit ihren Mulden
6 und Falten
7 und
8 auch hexagonale, dreidimensional wellenförmige Strukturen mit den Kalotten (anstatt der Mulden
6) und den Wülsten (anstatt der Falten
7,
8) dadurch gebildet werden, dass beim Strukturierungsprozess zwischen Stützelementwalze
4 mit ihren Stützelementen
5 und der Materialbahn
1 zusätzlich eine elastomere Schicht geführt wird (in
1 nicht explizit dargestellt; erläutert beispielsweise in
DE 10 2005 041 516 B4 ). Alternativ können anstatt der hexagonalen Wölbstrukturen mit ihren Mulden
6 und Falten
7 und
8 auch dreidimensional facettenförmige Strukturen mit den hexagonalen Falten (entsprechend den Falten
7 und
8 des Hexagons) und drei zusätzlichen, zu einem Stern zusammenlaufenden, Falten dadurch gebildet werden, dass in einem sekundären Strukturierungsschritt die hexagonal strukturierte Materialbahn
1 mit Hilfe einer weiteren elastischen Druckwalze gegen eine weitere Stützelementwalze, auf der jeweils drei Stützelemente zu einem Sternpunkt zusammenlaufen, gedrückt wird (in
1 nicht explizit dargestellt; erläutert beispielsweise in
DE 10 2005 041 555 B4 ). Mit Hilfe von Richtrollen
9 wird die wölbstrukturierte Materialbahn
1 in eine ebene Gestalt gebracht und dann mittels einer Schneidvorrichtung
10 abgelängt. Dann wird die wölbstrukturierte Materialbahn
1 in der Gestalt einer Tafel um 90° gedreht, so dass die Mulden
6 unten angeordnet sind. In der Abkantvorrichtung drücken von unten eine V-förmige Matrize
13, in welcher konvex gerundete Druckstempel
14 angeordnet sind, und von oben ein Stempel
11 mit seinen Erhebungen
12 gegen die Materialbahn
1, wobei Gegenmulden
19 (sichtbar in
5) in der wölbstrukturierten Materialbahn
1 gebildet werden.
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In der 2 sind schematisch die hexagonal strukturierte Materialbahn 1 in ihrer Längsrichtung und die Anordnung der Abkantvorrichtung, bestehend aus einer Matrize 13, in der konvex gekrümmte Druckelemente 14 angeordnet sind, und ein Stempel 11, in dessen Stempelkante die Erhebungen 12 angeordnet sind, in Ansichten bzw. Querschnitten in Längsrichtung (linker Teil der 2) und in Querschnitten in Querrichtung (rechter Teil der 2) der Abkantvorrichtung, dargestellt. Vor der eigentlichen Abkantung wird die hexagonal strukturierte Materialbahn 1 so positioniert, dass die Unterseite der Mulden 6 mittig über den Druckelementen 14 und die Oberseite der Falten 7 mittig unter den Erhebungen 12 des Stempels 11 angeordnet sind (siehe Ansichten E1-E1 und D1-D1 und Querschnitt C-C). Im Querschnitt C-C liegt die Mulde 6 der Materialbahn 1 auf der Oberkante 16 der V-förmigen Matrize 13 auf. Der Stempel 11 und die konvex gerundeten Druckelemente 14 befinden sich noch nicht im Eingriff. Die Senke 17 des Stempels 11 ist in der Ansicht D1-D1, im Querschnitt A-A und in der Seitensicht im mittleren Bild, links dargestellt. Die zwischen den konvex gekrümmten Druckelementen 14 angeordneten Konturen 15 in der Matrize 13 sind in der Ansicht E1-E1 und im Querschnitt F-F dargestellt.
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In der 3 sind schematisch die hexagonal strukturierte Materialbahn 1 und die Anordnung der Abkantvorrichtung in einem frühen Zwischenzustand der Abkantung der Materialbahn 1 dargestellt. Dabei drücken von oben die Erhebungen 12 in der Kante des Stempels 11 gegen die Falten 7 (sichtbar in 1) der Materialbahn 1, und von unten drücken die oberen Kanten 16 der V-förmigen Matrize 13 von unten gegen die seitlichen Bereiche der Mulde 6 der Materialbahn 1 (siehe Querschnitt G-G). Um eine halbe hexagonale Struktur versetzt berühren lediglich von unten die konvex gebogenen Druckelemente 14 mittig die Mulde 6 der Materialbahn 1 (siehe Querschnitt H-H). Dabei ist der Stempel 11 mit der Senke 17 nicht im Eingriff (siehe Querschnitt H-H). Auf diese Weise wird die Materialbahn 1 lediglich etwas gebogen; jedoch werden noch keine Gegenbeulen gebildet.
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In der 4 sind schematisch die hexagonal strukturierte Materialbahn 1 und die Anordnung der Abkantvorrichtung in einem späteren Zwischenzustand der Abkantung der Materialbahn 1 dargestellt. Dabei drücken von oben die Erhebungen 12 in der Kante des Stempels 11 soweit gegen die Oberseite der Falten 7 (sichtbar in 1) der Materialbahn 1, dass sich die Unterseite der Falten 7 auf derselben Höhe befinden wie die der Druckelemente 12 (um eine halbe Hexagonalstruktur versetzt) (siehe Querschnitt I-I). Um eine halbe hexagonale Struktur versetzt drücken von unten die konvex gebogenen Druckelemente 14 mittig gegen die Mulde 6 der Materialbahn 1, wobei zunächst nur kleine Einebnungen 19 gebildet werden (siehe Querschnitt J-J).
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In der 5 sind schematisch die hexagonal strukturierte Materialbahn 1 und die Anordnung der Abkantvorrichtung im Endzustand der Abkantung der Materialbahn 1 mit den vollständig ausgebildeten Gegenbeulen 19 dargestellt. Dabei drücken von oben die Erhebungen 12 der Kante des Stempels 11 und ferner die Flanken 20 des Stempels 11 gegen die Oberseite der Materialbahn 1, und von unten drücken die beiden Schenkel 21 der V-förmigen Matrize 13 gegen die Materialbahn 1 (siehe Querschnitt K-K). Um eine halbe hexagonale Struktur versetzt drücken von oben die Flanken 20 des Stempels 11 gegen die Materialbahn 1, und von unten drücken die konvex gebogenen Druckelemente 14 vollflächig und ferner die Schenkel 21 der V-förmigen Matrize 13 gegen die Materialbahn 1, wobei die Gegenbeulen 19 gebildet werden (siehe Querschnitt L-L sowie die unteren Querschnitte). Die Gestalt der Gegenbeule 19 ist schematisch und anschaulich zu erkennen, wenn man einem Blick von innen in den Bereich der abgekanteten Materialbahn 1 hinein wirft. In 5, Bild rechts ganz unten, stellen die unterschiedlich gerade schraffierten Bereiche vereinfacht eine abgekantete Materialbahn 1 dar. Die Krümmung der gebildeten Gegenbeulen 19 ist mit Hilfe einer gekrümmten Schraffierung schematisch gekennzeichnet (Bild unten, links).
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In der 6 sind schematisch die hexagonal strukturierte Materialbahn 1 in ihrer Querrichtung und die Anordnung der Abkantvorrichtung, bestehend aus einer Matrize 13, in der konvex gekrümmte Druckelemente 22 angeordnet sind, und ein Stempel 11, in dessen Stempelkante die Erhebungen 24 angeordnet sind, in Ansichten bzw. Querschnitten in Längsrichtung der Abkantvorrichtung (linker Teil der 6) und in Querschnitten in Querrichtung (rechter Teil der 6) der Abkantvorrichtung, dargestellt. Vor der eigentlichen Abkantung wird die hexagonal strukturierte Materialbahn 1 so positioniert, dass die Unterseite der Mulden 6 mittig über den Druckelementen 22 und die Oberseite der Falten 7 unter den Erhebungen 24 des Stempels 11 angeordnet sind (siehe Querschnitt N-N). Im Querschnitt N-N liegen die Orte der versetzten Mulden 6 der Materialbahn 1 auf der Oberkante 16 der V-förmigen Matrize 13 dort auf, die am tiefsten liegen. Der Stempel 11 und die Druckelemente 23 befinden sich noch nicht im Eingriff.
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In der 7 sind schematisch die hexagonal strukturierte Materialbahn 1 und die Anordnung der Abkantvorrichtung im Endzustand der Abkantung der Materialbahn 1 mit den vollständig ausgebildeten Gegenbeulen 27 dargestellt. Dabei drücken von oben die Erhebungen 24 der Kante des Stempels 11 und die Flanken 20 des Stempels 11 gegen die Oberseite der Materialbahn 1, und von unten drücken die beiden Schenkel 21 der V-förmigen Matrize 13 gegen die Materialbahn 1 (siehe Querschnitt R-R). Um eine halbe hexagonale Struktur versetzt drücken lediglich von unten die konvex gebogenen Druckelemente 23 vollflächig und ferner die Schenkel 21 der V-förmigen Matrize 13 gegen die Materialbahn 1, wobei die Gegenbeulen 27 gebildet werden (siehe Querschnitt S-S sowie die unteren Querschnitte). Im Ergebnis folgt daraus, dass bei dieser Abkantung quer zur Strukturierungsrichtung der hexagonalen Wölbstrukturen entlang der Falte 7 (entspricht der Biegekante) der Materialbahn 1 nur jede zweite hexagonale Struktur, d. h. in den Mulden, mit einer Gegenbeule 27 ausgestattet wird.
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Bei einer Abkantung der Materialbahn 1 quer zur Richtung der Wölbstrukturierung existieren noch weitere Varianten: Hierbei verläuft die Kante (aus der Abkantung) parallel zu den Falten 7 (siehe 6), d. h. quer durch die Falten 8 der Materialbahn 1 hindurch. Auf eine schematische Darstellung in weiteren Figuren konnte deshalb vereinfachend verzichtet werden, weil ein derartiger Abkantvorgang analog zu der in 2 dargestellten Abkantung erfolgen kann. Hierbei sind die konvex gekrümmten Druckelemente, die in der V-förmigen Matrize angeordnet werden, und ferner die Erhebungen in dem Stempel, so zu wählen, dass jeweils die Erhebungen des Stempels von oben auf die Falten 8 der hexagonalen Wölbstrukturen drücken und von unten die konvex gekrümmten Druckelemente mittig in Richtung der Abkantung auf die Mulden 6 der Materialbahn 1 drücken. Hierdurch bilden sich entweder Gegenbeulen, welche dieselbe Kontur aufweisen, wenn die Abkantung exakt in der Mitte der Falten 8 erfolgt, oder es bilden sich Gegenbeulen, welche abwechselnd zwei unterschiedlich große Gegenbeulen aufweisen, wenn die Abkantung außerhalb der Mitte der Falten 8 der Materialbahn 1 erfolgt.
