DE102011109123B3

DE102011109123B3 - Verfahren zum Herstellen einer strukturierten Schale oder Platte und Verwendung derselben

Info

Publication number: DE102011109123B3
Application number: DE201110109123
Authority: DE
Inventors: Frank Mirtsch; Michael Mirtsch
Original assignee: Mirtsch Dr GmbH
Current assignee: Mirtsch Dr GmbH
Priority date: 2011-08-02
Filing date: 2011-08-02
Publication date: 2012-08-02
Anticipated expiration: 2031-08-03

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer strukturierten Schale oder Platte, wobei in einem ersten Prozessschritt aus einer ebenen Materialbahn eine glatte Schale hergestellt wird und in einem zweiten Prozessschritt ein Druckelement gegen die konvexe Seite der glatten Schale und dann gegen polygonförmig angeordnete Stützelemente, deren lichte konvexe Kontur der konkaven Seite der Schale so angepasst wird, dass die Krümmung der glatten Schale etwas größer oder etwas kleiner ist als die Krümmung der lichten Kontur der Stützelemente, wodurch durch Beaufschlagung des Druckelementes Druckmembranspannungen gebildet werden und die konvex gekrümmte Schalenform in konkav gekrümmte Schalenbereiche umgebildet werden und die polygonen Strukturen im Wesentlichen isotrop versteifend und Werkstoff schonend in der Schale ausgebildet werden, und Verwendung derselben als formstabile, crashrelevante, schalldämpfende gekrümmte Bauteile, insbesondere Karosserieteile, wie Verstärkungsschale von Türen, Dächern, Hauben, Wannen und Klappen, und ferner Reflektoren und Sitzschalen, oder als formstabile, crashrelevante, schalldämpfende ebene oder nahezu ebene Bauteile, wie Trennwände, Boden- oder Deckenwände oder Sitzwände im Fahrzeugbau, Bauwesen und Apparatebau.

Description

Im effektiven Leichtbau werden leichte und zugleich formsteife Bauteile benötigt, die zugleich auch aus hochfesten Werkstoffen, die nur über geringe Dehngrenzen verfügen, bestehen. Analoges gilt für Leichtbauteile, die zwar aus duktilen Werkstoffen bestehen können, jedoch große Plastifizierungsreserven für die Crashenergieaufnahme aufweisen sollen. Bei sicherheitsrelevanten Bauteilen, insbesondere im mobilen Einsatzbereich (insbesondere Fahrzeugbau), die über lange Betriebszeiten sehr vielen Wechsellastspielen unterworfen sind, ist eine hohe Betriebsfestigkeit, besonders eine hohe Dauerschwingfestigkeit zu gewährleisten. Für Bauteile mit sehr hoher Formsteifigkeit bieten sich schalenförmige Geometrien an, da diese gegenüber ebenen Konstruktionen bereits auf Grund ihrer Krümmung stark versteifend wirken. Schalenförmige, glatte Bauteile sind aus drei Gründen noch unbefriedigend: Erstens möchte man nicht nur eine hohe globale Formsteifigkeit erzielen, sondern auch hohe örtliche Formsteifigkeiten, beispielsweise für Krafteinleitungen, wie Fügepunkte mit Stützstegen oder Auflagerpunkten auf einem Rahmen. Zweitens möchte man eine glatte Schale auch global weiter versteifen, um noch mehr Gewicht und – im Falle von bewegten Bauteilen – Transportenergie einzusparen. Drittens möchte man die akustischen Eigenschaften von schalenförmigen Bauteilen im späteren Betriebsfall verbessern, wie beispielsweise reduziertes Dröhnen. Um diese Ziele für dünnwandige Schalen zu erreichen, existieren bereits zahlreiche versteifende Nebenformelemente, wie beispielsweise Sicken, Höcker oder Näpfe. Sicken besitzen den Nachteil, dass sie das Bauteil nur in einer Richtung versteifen; senkrecht dazu bleibt das Bauteil biegeweich. Alle diese genannten Nebenformelemente werden durch konventionelle Formwerkzeuge bei hoher Plastifizierung des Werkstoffes, häufig mit örtlichen Ausdünnungen der Bauteilwand, eingebracht. Das kann nachteilig für hochfeste Werkstoffe sowie für crashrelevante Bauteile sein. Auch im Falle von sicherheitsrelevanten Bauteilen, die im späteren Betriebsfall lang dauerenden Wechsellasten ausgesetzt sind, können die oben genannten Nebenformelemente Schwierigkeiten bereiten, da sie zwar die Steifigkeit erhöhen können, aber örtliche Krümmungen im umgeformten Material beinhalten. Die örtlichen Krümmungen dieser bekannten Nebenformelemente weisen den Nachteil auf, dass sie – mit den Worten von Claus Matthek – zusätzlich Kerbspannungen verursachen, da Kraftflüsse örtlich umgeleitet werden müssen (C. Mattheck: „Denkwerkzeuge nach der Natur”, ISBN 978-3-923704-73-6, KS Druck GmbH, Kronau, 2010, Seite 19). Diese Kerbspannungen verursachen im Belastungsfall des Bauteils zusätzliche Biegedeformationen in der Wand, die zusätzliche Zug- und Druckspannungen erzeugen. Bauteilversagen kann leicht dadurch auftreten, dass sich die Zugkräfte aus der zusätzlichen Biegedeformation und die Zugkräfte aus einer Membrandeformation des Bauteils addieren und damit verstärken. Während ein Werkstoff in der Regel vergleichsweise gut hohe Druckkräfte aufnehmen kann, versagt ein Werkstoff in der Regel örtlich eher bei hohen Zugkräften (Anmerkung: Moleküle lassen sich eher auseinanderziehen als zusammendrücken). Deshalb weisen herkömmliche schalenförmige Bauteile mit konventionellen Nebenformelementen häufig den Nachteil auf, dass sie zwar die Formsteifigkeit gegenüber der glatten Konstruktion erhöhen, jedoch bei hohen bzw. lang andauernden Wechsellasten nicht dauerfest sind. Wünschenswert wären verbesserte Nebenformelemente in Bauteilen, die nicht nur das Bauteil mehrdimensional versteifen, sondern die zumindest in den Bereichen des fertigen Bauteils, wo später im Betriebsfall die größten örtlichen Kraftflüsse und damit höchsten Spannungen im Werkstoff auftreten, während des Einbringens der Nebenformelemente im Wesentlichen nur Druck- und Biegedeformationen erfahren haben. Auf diese Weise könnten sie die größten Reserven für sekundäre Deformationen im späteren stationären, dynamischen – sowie lang andauernden Wechsellast-Betriebsfall erhalten. Derartige schalenförmige Bauteile mit mehrdimensional versteifenden Nebenformelementen existieren noch nicht. Wünschenswert wären auch ebene Bauteile, die derartige vorteilhafte Eigenschaften aufweisen können.
Stand der Technik
Es sind beul- bzw. wölbstrukturierte Materialbahnen bekannt. Diese können viereckige ( EP 0693008 B1 ), vorzugsweise sechseckige ( EP 0900131 B1 ) oder wappenförmige ( EP 0888208 B1 ) Strukturen besitzen, die aus Falten (mit engen Radien) und Mulden zusammengesetzt sind. Diese strukturierten Materialbahnen entstehen insbesondere auf der Basis einer kontrollierten Selbstorganisation. Deshalb wird der Bahnwerkstoff bei ihrem Strukturierungsprozess zwar erheblich weniger plastifiziert als bei den oben genannten, mittels mechanischer Formwerkzeuge arbeitenden Prozessen zum Einbringen von Nebenformelementen. Aber dennoch sind diese bekannten beul- bzw. wölbstrukturierten Materialbahnen infolge zweier Merkmale noch verbesserungsbedürftig: Erstens sind sie insbesondere für ebene oder zylindrische, strukturierte Materialbahnen oder Bauteile geeignet, da sie aus einer abwickelbaren Krümmung heraus gebildet werden. Bei einer Schale, die definitionsgemäß mehrdimensional gekrümmt ist und deshalb nicht abwickelbar ist, sind diese genannten Verfahren zum Beul- bzw. Wölbstrukturieren nicht anwendbar. Zweitens kann die Materialbahn im Bereich der gebildeten Falten auf ihrer konvexen Seite noch dominierende Zugspannungen aus den Biegedeformationen während der Strukturierung besitzen.
Ferner sind dreidimensional wellenförmige Strukturen ( DE 102005041516 B4 ) bekannt, wobei eine hexagonale Struktur jeweils aus 6 gerundeten Teilflächen, so genannten Wülsten, und einer von diesen 6 Wülsten eingeschlossenen Kalotte zusammengesetzt ist. Die Wülste besitzen im Gegensatz zu den oben genannten Falten (mit engem Radius der Beul- bzw. Wölbstrukturen) eine deutlich sanftere und somit werkstoffschonendere Rundung und weisen eine entgegengesetzte Krümmung wie die der Kalotten auf. Deshalb werden diese Strukturen auch dreidimensional wellenförmige Strukturen genannt. Diese dreidimensional wellenförmigen Strukturen können ebenfalls selbstbildend entstehen, wobei eine Materialbahn durch eine Druckbeaufschlagung auf eine ihrer Seiten über eine elastische Zwischenlage gegen die auf der anderen Seite der Materialbahn angeordneten Stützelemente gedrückt wird und wobei das Stützelement und die an die Kontur dieses Stützelementes angedrückte elastische Zwischenlage die Bildung der Wülste und Kalotten ... erzeugt (sinngemäß aus dem Hauptanspruch der DE 102005041516 B4). Es können auch starre Stützelemente auf einem Kern oder in einem Werkzeug verwendet werden, deren Kontur der Wulst der dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahn angepasst ist (sinngemäß aus DE 102005041516 B4, insbesondere Anspruch 5). Die dreidimensional wellenförmig strukturierte Materialbahn weist aber nach ähnliche Nachteile auf wie die bereits genannten bekannten Verfahren zum Beul- bzw. Wölbstrukturieren hinsichtlich der Einschränkung auf abwickelbare Materialbahnen und ggf. Zugspannungen im Bereich der Wülste.
Als weiteren Nachteil weisen die beul- bzw. wölbstrukturierten Materialbahnen ( EP 0693008 B1 , EP 0900131 B1 und EP 0888208 B1 ) wegen unterschiedlicher Höhen ihrer Strukturfalten in bzw. schräg zur Laufrichtung der Materialbahn einerseits und quer zur Laufrichtung der Materialbahn andererseits, eine anisotrope Steifigkeit auf. Die Ursachen hierfür liegen in dem Entstehungsprozess der Beul- bzw. Wölbstrukturen aus einer vergleichsweise eng gekrümmten (wegen der Gesetzmäßigkeiten der Selbstorganisation, wobei der Radius des Hohlzylinders, die Weite, im Falle eines Hexagons die Schlüsselweite, der sich bildenden Struktur sowie die Materialdicke physikalisch miteinander verknüpft sind) Materialbahn und in dem anschließenden Richtprozess in die ebene Planlage. In der DE 102005041516 B4 , Seite 3, Abschnitt [0005] werden diese Ursachen für Entstehung der unterschiedlichen Höhen der Strukturfalten/anisotropen Steifigkeit beschrieben und begründet: „Da sich die Falten der gekrümmten Falten (in Richtung der Materialbahn) beim Richten außen (d. h. größerer Radius) und die Mulden innen (d. h. kleinerer Radius) anordnen, werden die Falten (in Richtung der Materialbahn) beim Richten gestaucht und die Mulden gedehnt. Nach dem Verfahren der DE 102005041516 B4 können diese Nachteile mit Hilfe der dreidimensional wellenförmigen Strukturen zwar gemindert, jedoch nicht beseitigt werden. Denn auch hierbei bleiben unterschiedliche Höhen der „Wülste” (gemeint sind Strukturfalten mit besonders sanften Rundungen), in bzw. schräg zur Laufrichtung einerseits und quer zur Laufrichtung der strukturierten Materialbahn anderseits, bestehen.
Ferner sind bereits Verfahren zum Beulstrukturieren, auch für nicht abwickelbare Materialbahnen wie Klöpperboden, Kugelkalotten oder sonstige Schalen, bekannt: In der DE 44 37 986 A1 sind Verfahren zur Erzeugung von polygonförmigen Strukturen wie Sechsecke genannt, die jedoch noch nicht auf einer selbstorganisierten Strukturierung beruhen. Nachteilig ist hierbei, dass im Falle von Schalen, die in der Regel eine viel geringere Krümmung besitzen als die für das Beul- bzw. Wölbstrukturieren erforderliche Krümmung (auf der Basis der Selbstorganisation), durch das reine „Einploppen” nur sehr geringe Strukturtiefen, mit daraus resultierenden kleinen Steifigkeiten, gebildet werden können. Damit befriedigende Steifigkeitsverbesserungen realisiert werden können, müssten die flachen Strukturen nach dem „Einploppen” durch Steigerung des äußeren Wirkdruckes noch erheblich tiefer ausgeformt werden, wodurch sich in den Mulden und Falten starke Zugbeanspruchungen mit einhergehender Materialausdünnung und hoher Plastifizierung des Werkstoffes einstellen würden. Im Folgenden werden die Vor- und Nachteile des in der DE 44 37 986 A1 beschriebenen Verfahrens eingehender beschrieben und voneinander abgegrenzt: In der DE 44 37 986 A1 wird die Aufgabe für ein Verfahren formuliert, wobei dünne Wände oder Folien mit großer Formstabilität erzeugt werden sollen, die sowohl in der gekrümmten Gestalt als auch in der ebenen Gestalt gleichmäßige, versetzte Wölbstrukturen besitzen (Beschreibung in Spalte 2, Zeilen 22 bis 26 in der DE 44 37 986 A1). Dabei wird eine zu strukturierende Materialbahn über gekrümmte, linien- oder punktförmige Stützkonturen geführt und von außen mit einem Überdruck und/oder von innen mit einem Unterdruck beaufschlagt und zwischen der Materialbahn und den Stützkonturen eine flexible Materialbahn geführt wird (Beschreibung in Spalte 2, Zeilen 28 bis 34 in der DE 44 37 986 A1). Beim Beulvorgang treten im Wesentlichen nur Biegeumformungen mit vergleichsweise geringen Plastifizierungen auf, wobei eine geringe axiale Schrumpfung (Größenordnung: wenige %) des Materials stattfindet (Beschreibung in Spalte 2, Zeilen 50 bis 54 in der DE 44 37 986 A1). Der äußere Überdruck oder der innere Unterdruck wird über den reinen Beulvorgang erforderlichen Druck hinaus gesteigert, um die Strukturtiefe weiter zu vergrößern (Beschreibung in Spalte 2, Zeilen 63 bis 66 in der DE 44 37 986 A1). Das in der DE 44 37 986 A1 beschriebene Verfahren weist jedoch noch gravierende Nachteile auf: Erstens würde die elastische Zwischenlage zwischen der Materialbahn und den Stützkonturen, die in der DE 44 37 986 A1 (Pos. 15 in 6) für abwickelbare Materialbahnen vorgesehen wird, im Falle einer Schale leicht einknautschen, dadurch scharfe Falten erhalten und nach kurzer Zeit durch Materialversagen unbrauchbar werden. Zweitens reicht die oben beschriebene geringe axiale Schrumpfung (Beschreibung in Spalte 2, Zeile 53 in der DE 44 37 986 A1) noch nicht aus, um zu verhindern, dass noch hohe Zugspannungen in der Materialbahn im Bereich der Falten der gebildeten Strukturen sowohl aus den Biegeumformungen (Beschreibung in Spalte 2, Zeile 51 in der DE 44 37 986 A1) als auch durch den gesteigerten Druck zwecks Vergrößern der Strukturtiefe (Beschreibung in Spalte 2, Zeile 66 in der DE 44 37 986 A1) entstehen können. In der DE 44 37 986 A1 ist ferner unbefriedigend, dass es zwar Hinweise auf strukturierte Kegelstümpfe, Halbkugelschalen und, Klöpperböden und sonstige rotationssymmetrische, dünnwandige Körper ... und mehrdimensionale, dünnwandige Schalen (Beschreibung in Spalte 5, Zeilen 15 bis 19 und Ansprüche 47, 49 in der DE 44 37 986 A1) gibt, jedoch nicht näher beschrieben wird, wie das konkret zu erreichen ist. Alle diese Nachteile haben dazu geführt, dass sich das in der DE 44 37 986 A1 beschriebene Verfahren in der industriellen Praxis nicht bewährt hat.
Bekannt ist ferner ein Verfahren zur Herstellung einer wabenförmig strukturierten, energieabsorbierenden Verstärkungs- und Knautschschale für schalenförmige Karosserieteile zum Schutz von Fußgängern ( DE 10 2004 044 550 B4 ), wobei eine gekrümmte Materialbahn durch örtlichen Verformungsdruck nur in ihrem mittleren Bereich beulstrukturiert wird, dabei zunächst in eine stark konkav gekrümmte Gestalt übergeht, dann in eine schwach konkav gekrümmte Gestalt gerichtet wird und dann durch Andrücken von Rollen in eine schwach konvex gekrümmte Gestalt und zugleich formstabile Gestalt umklappt, ohne dass dabei die Strukturfalten und/der -mulden einknicken (DE 10 2004 044 550 B4, sinngemäß aus dem Hauptanspruch). Hierbei kann „eine Materialbahn aus ihrer ebenen Gestalt heraus durch zwei mechanische Formwerkzeuge (Stempel und Matrize) und/oder durch ein mechanisches Werkzeug und ein hydraulisches oder pneumatisches oder elastisches Wirkmedium in eine komplette Verstärkungsschale mit Sattel oder ohne Sattel umgeformt werden (DE 10 2004 044 550 B4, Anspruch 12). Jedoch „ergibt sich für die strukturierte, dünne Materialbahn ein reduziertes Ergebnis hinsichtlich erzeugter Strukturtiefe und umgesetzter Plastifizierung des Werkstoffes” (DE 10 2004 044 550 B4, Beschreibung Abschnitt [0022]). Nachteilig sind hierbei insbesondere zwei Aspekte: Erstens ist der Umklappvorgang kompliziert und in der Praxis zu sehr schwer zu realisieren, weil er dynamisch und global erfolgen muss, um ein Einknicken der Falten bzw. Mulden zu verhindern. Zweitens wird ein aufwändiger, mehrstufiger Prozessablauf benötigt.
Bekannt ist ferner ein Bauteil aus einem Flachmaterial und ein Verfahren zu seiner Herstellung gemäß der DE 10 2006 055 657 A1 , WO 2008/062263 A1 . Hierbei wird „das Flachmaterial mit einer Verformungsstruktur versehen, die sich nach Art einer Pressung teilweise senkrecht zur Mittelfläche erstreckt. Dabei erfolgt die Druckaufbringung vorzugsweise hauptsächlich über elastomere Wirkmedien, wobei zur Strukturierung ein beispielsweise aus modularen Einzelelementen aufgebautes Werkzeug zum Einsatz kommt” (WO 2008/062263 A1, Text aus der Zusammenfassung). Nachteilig ist hierbei der folgende Effekt: Das Flachmaterial wird durch ein ebenes oder nur schwach gekrümmtes und mit den Negativ-Konturen der herzustellenden Struktur ausgestattetes Formwerkzeug großflächig gegen das zu strukturierende Flachmaterial gedrückt, wodurch das Flachmaterial großflächig fixiert und somit quasi eingesperrt wird. Dadurch tritt beim Strukturieren im Wesentlichen ein Streckvorgang auf, wobei eine erhebliche Vergrößerung der Ausgangsfläche des Flachmaterials und somit insbesondere auch im Bereich der gebildeten Falten der Werkstoff erheblich plastifiziert und die Wanddicke reduziert werden.
Schließlich ist ein Verfahren zum Herstellen eines strukturierten Rohres ( DE 10 2009 051 603 A1 ) insbesondere aus Kunststoff bekannt, wobei durch eine im wesentlichen isometrische Umformung mehrdimensionale Strukturen dadurch gebildet werden, dass in einem ersten Schritt ein glattes Rohr aus Kunststoff oberhalb der Glastemperatur gefertigt wird und dann konzentrisch um das glatte Rohr angeordnete strukturierte Druckelemente, die mit einer Negativkontur von regelmäßig angeordneten insbesondere beul- oder wölbförmigen Strukturen ausgestattet sind, von außen konzentrisch (radial) gegen das Rohr bewegt werden, wobei zur Rohrwand eine radiale Deformationskraft gebildet wird und gleichzeitig eine Membrankraft in Umfangsrichtung der Rohrwand gebildet wird. Alternativ können Stützelemente (aus der Beschreibung [0011]) als Formwerkzeuge verwendet werden, und hierzu eine Geometrie entsprechend einer durch Selbstorganisation gebildeten Wölbstruktur aufweisen, so dass die Wölbstrukturierung durch die Druckbeaufschlagung mittels Formung der Strukturierungsschicht durch die Stützelemente erfolgt (aus der Beschreibung [0013]). Gemäß einer weiteren Variante bilden die Stützelemente ein Werkzeug mit einer starren geometrischen Werkzeugoberfläche, die so gebildet ist, dass sie der Oberflächengestalt der selbststrukturierten Strukturierungsschicht (entsprechend der Beschreibung [0027]) entspricht. Dieses bekannte Verfahren ist jedoch auf abwickelbare Materialbahnen, wie Rohre beschränkt und deshalb auf die Strukturierung von Schalen nicht anwendbar. Ferner ist dieses bekannte Verfahren aufgrund ihres komplizierten maschinellen Aufbaus, wie mehrere konzentrisch bewegbare Druckstempel mit aufwändigen flächigen 3d-Konturen (als Negativ-Flächen zu den herzustellenden Strukturen in der Kunststoffwand) teuer.
Aufgabenstellung
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die genannten Nachteile von schalenförmigen oder ebenen Bauteilen mit Nebenformelementen zu überwinden oder zu mindestens Verbesserungen herbeizuführen. Die Aufgabe besteht insbesondere darin, versteifende, mehrdimensionale Strukturen, insbesondere Beul- bzw. Wölb- oder dreidimensional wellenförmige Strukturen, in eine dünne Schale, beispielsweise als Wanne, oder in ein Bauteil einzubringen, das nach dem Strukturieren auch ebene Bereiche aufweist, so einzubringen, dass insbesondere eine hohe Biege- und Beulsteifigkeit in allen Richtungen des strukturierten Bauteils erzielt wird und zugleich hohe Dehnreserven des Werkstoffes vor allem dort, wo später im Betriebsfall die größten örtlichen Belastungen auftreten, vorgehalten werden können. Für strukturierte Bauteile, deren aneinander gereihte Strukturen aus Falten und Mulden bzw. Wülsten und Kalotten gebildet werden, besteht die Aufgabe insbesondere darin, dass die Wanddicken der Materialbahn im Bereich der gebildeten Falten oder Wülste (mit den größten Kraftkonzentrationen im späteren Belastungsfall des fertigen Bauteils) erhalten bleibt und dort möglichst keine resultierenden Zugkräfte (Addition von Spannungen aus Biege- und Membranbeanspruchung) während des Strukturierungsprozesses auftreten.
Die Aufgabe wird nach der Erfindung durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 und durch die Verwendung der nach den Verfahren der Ansprüche 1 bis 11 hergestellten Bauteile gemäß den unabhängigen Ansprüchen 12 und 14 gelöst. Weitere Ausgestaltungen des Verfahrens und der Verwendung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 11 und 13 und 15.
Es wurde gefunden, dass ein dünnwandiges, schalenförmiges Bauteil in allen Richtungen mit isotrop oder zumindest angenähert isotrop biege- und beulsteifen Strukturen ausgestattet werden kann, wobei im Bereich der Strukturfalten- bzw. -wülste im Wesentlichen Druck- und Biegedeformationen erzeugt werden. Nach der Erfindung gelingt das dadurch, dass durch verschiedene Krümmungen einer glatten Schale einerseits und einer geometrisch angepassten Anordnung von polygonförmigen, wie hexagonförmigen, Stützelementen andererseits, zunächst ein umlaufender, spaltartiger, freier Zwischenraum gebildet wird. Bei einer äußeren Druckbeaufschlagung der konvexen Seite der glatten Schale bewegen sich dann Bereiche der glatten Schale aus ihrer konvexen Gestalt in die konkave Gestalt und werden dann bei weiterer Steigerung der äußeren Druckbeaufschlagung zwischen den polygonförmigen Stützelementen zu Mulden bzw. Kalotten ausgeformt. Dadurch wird infolge der Längendifferenz zwischen der Innenkontur der glatten Schale und der konvexen, lichten Kontur der Stützelemente eine geometrische Raffung des zu strukturierenden Bereiches der glatten Schale gebildet. Dadurch kann erreicht werden, dass im Bereich der gebildeten Strukturfalten bzw. -wülste resultierende Druckspannungen aus der Addition der Druckmembranspannungen und den Biegespannungen gebildet werden, die die Strukturfalten bzw. -wülste versteifen und zugleich sehr hohe Dehnreserven des Werkstoffes vorhalten. Überraschenderweise kann das sogar dann gelingen, wenn durch steigende äußere Druckbeaufschlagung vergleichsweise tiefe Strukturmulden bzw. -kalotten in die Schale eingebracht werden. Man hätte eigentlich erwarten können, dass sowohl an den Bereichen der Falten bzw. Wülsten als auch in den Strukturmulden bzw. -kalotten durch das tiefere Eindrücken der Strukturmulden bzw. -kalotten der Werkstoff der Schale gezogen wird und dadurch resultierende Zugspannungen und Ausdünnungen in der Wand auftreten. Das ist jedoch nicht der Fall. Gemäß der Erfindung können im Bereich der Falten bzw. Wülste Druck- und Biegespannungen aufgebaut werden, wodurch dort die Wanddicke im Wesentlichen erhalten bleibt.
In einer Ausgestaltung der Erfindung zur Herstellung einer strukturierten Schale wird in einem ersten Prozessschritt aus einer ebenen Materialbahn eine glatte Schale, vorzugsweise als Wanne, durch Tiefziehen, Streckziehen oder ggf. Drücken hergestellt. In einem zweiten Prozessschritt drückt ein Wirkmedium als Elastomer gegen die konvexe Seite der glatten Schale, wodurch die konkave Seite der Schale an einer Stelle oder einigen Stellen der glatten Schale in den spaltförmigen freien Raum zwischen der Innenseite der Schale und einem Stützelementwerkzeug quasi „hinein springt” und dadurch die Stützelemente berührt und sich bereits etwas in die Zwischenräume der polygonförmigen Stützelemente einformt. Nach den Gesetzmäßigkeiten des elastischen bzw. elastisch-plastischen Beulens soll die Relation von erzeugter Beultiefe (sogenannter Pfeilhöhe f) zur Wandstärke s der dünnwandigen Schale etwa mindestens den Wert 1,5 aufweisen, damit ein örtlicher „Durchschlag” stattfinden kann (Lit. A. S. Wolmir, „Biegsame Platten und Schalen”, VEB Verlag für Bauwesen Berlin, 1962, Seite 103, Abb. 2.9 Belastungs-Durchbiegungs-Diagramm für eine Platte mit Anfangsausbiegung entgegen der Belastungsrichtung). Mit zunehmendem Wirkdruck auf die Schale können weitere Bereiche der glatten Schale nach innen bewegt werden und schließlich die Mulden bzw. Kalotten tiefer durch plastische Umformung ausgeformt werden. Bei diesem gesamten Umformprozess fixiert ein Werkzeug bzw. Mantelkörper außen den umlaufenden Rand der Schale (wie die Zarge oder den Flansch der Wanne), damit der zu strukturierende Bereich der Schale allseitig mit Druckmembranspannungen beaufschlagt und dadurch Druckkräfte insbesondere im Bereich der gebildeten Falten bzw. Wülste aufgebaut werden können. Die so gebildeten polygonen Strukturen ergeben im Falle von etwa sechseckig angeordneten Stützelementen hexagonförmige Strukturen, ähnlich wie die bekannten Beul- bzw. Wölbstrukturen oder dreidimensional wellenförmigen Strukturen, jedoch mit dem Unterschied, dass die Höhen (gemeint sind Querschnittskonturen) der allseitig gebildeten Falten bzw. Wülste der polygonen Strukturen gleich oder zumindest nahezu gleich gebildet werden können. Das ist, im Gegensatz zu den bekannten Beul- bzw. Wölbstrukturen oder dreidimensional wellenförmigen Strukturen (gebildet aus der abwickelbaren zylindrischen Krümmung in Laufrichtung der Materialbahn), deshalb nach der Erfindung möglich, weil im Falle einer Schale in allen Richtungen die oben genannten Druckmembranspannungen aufgebaut werden können. Das Bilden dieser genannten resultierenden Druckmembranspannungen wurde durch visioplastische Messungen nachgewiesen (siehe später in 4).
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zur Herstellung einer strukturierten Schale wird der spaltförmige, freie Raum zwischen der glatten Schale einerseits und der lichten Kontur des Stützelementwerkzeuges andererseits durch zwei Varianten realisiert. in der ersten Variante (siehe 1 bis 3) wird die Krümmung der lichten Kontur des Stützelementwerkzeuges größer gewählt als die Krümmung der glatten Schale (beispielsweise als gekrümmter Boden einer tiefgezogenen Wanne). Hierdurch kommt es zum ersten Anlegen der glatten Schale in ihrem mittleren Bereich an das Stützelementwerkzeug. Dadurch bildet sich der lichte Spalt zum Rand der Schale hin breiter aus als im mittleren Bereich. In der zweiten Variante (siehe 7 und 8) wird die Krümmung der lichten Kontur des Stützelementwerkzeuges kleiner gewählt als die Krümmung der glatten Schale. Hierdurch kommt es zum ersten Anlegen der glatten Schale in ihrem Randbereich an das Stützelementwerkzeug. Dadurch bildet sich der lichte Spalt zum mittleren Bereich der Schale hin breiter aus als in dem Randbereich.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zur Herstellung einer strukturierten Schale kann der erzeugte, strukturierte Bereich der Schale mit Hilfe von einer umlaufenden Begrenzung beispielsweise in Form einer Kante, Sicke oder Stufe erzeugt werden. Hierdurch wird sichergestellt, dass sich die gebildeten Strukturen nicht unkontrolliert über den vorgesehenen strukturierten Bereich in die benachbarten Randbereiche der Schale hinaus ausbreiten.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zur Herstellung einer strukturierten Schale wird zum Aufbringen des Wirkdruckes ein Fluid, wie Flüssigkeit oder Gas, verwendet. Hierdurch wird im Gegensatz zu einem Elastomer erreicht, dass der erzeugte Wirkdruck in allen Bereichen der Schale konstant ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zur Herstellung einer strukturierten Schale wird anstatt eines Wirkmediums ein starrer, strukturierter Stempel aus metallischen oder organischen Werkstoffen eingesetzt. Dabei wird die Form des Stempels als Negativ-Kontur der gemäß den bisher beschriebenen Verfahren (bei Verwendung eines Wirkmediums) gebildeten Strukturen nachempfunden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zur Herstellung einer strukturierten Schale werden sowohl die Form des Stempels als auch die Form der Matrize gemäß den Konturen der nach dem bisher beschriebenen Verfahren (bei Verwendung eines Wirkmediums) gebildeten Strukturen nachempfunden (siehe 14 und 15).
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung zur Herstellung einer strukturierten Platte mit ebenen Rändern wird eine partiell strukturierte ebene oder nahezu ebene Platte hergestellt, wobei eine glatte Ausgangsschale lediglich eine sehr geringe Krümmung aufweist (siehe 18 und 19). „Unter dem Begriff Platte wird ein Körper bezeichnet, der die Form eines geraden Prismas oder eines geraden Zylinders hat und dessen Höhe (Plattendicke) klein ist im Vergleich zu den Grundrißabmessungen” (aus Lit. A. S. Wolmir, „Biegsame Platten und Schalen”, VEB Verlag für Bauwesen Berlin, 1962, Seite 17). Diese zunächst eben hergestellte strukturierte Platte kann man dann auch sekundär zu einer zylindrisch gebogenen Schale oder zu einem Hohlzylinder bzw. Rohrabschnitt biegen, wobei bei kleinem Durchmesser vorzugsweise die gebildeten Mulden bzw. Kalotten auf der Innenseite und die Falten bzw. Wülste auf der Außenseite angeordnet werden. Bei großem Durchmesser können die gebildeten Mulden bzw. Kalotten auch auf der Außenseite und die Falten bzw. Wülste auf der Innenseite angeordnet werden, ohne dass die Falten bzw. Wülste beim Biegen einknicken.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung zur Herstellung einer strukturierten Schale oder Platte können auch glatte, örtliche oder zusammenhängende Bereiche, insbesondere als spätere Füge- und Anbindungsbereiche, partiell eingebracht werden (siehe auch 20 und 21).
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele:
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 schematisch ein Verfahren zum Herstellen strukturierten Schale als Wanne mit einem elastomeren Wirkmedium in einer beginnenden Position (a) und einer momentan folgenden Position (b) mit einem größeren freien Raum im Randbereich der Schale zwischen der Schale und dem Stützelementwerkzeug,
2 schematisch ein Verfahren zum Herstellen einer strukturierten Schale analog 1, jedoch in einer momentan weiteren Position (c) mit einer Gestaltentwicklung der Strukturen im mittleren Bereich der Schale,
3 schematisch ein Verfahren zum Herstellen einer strukturierten Schale analog 2, jedoch in einer weiter folgenden Position (d) und einer abschließenden Position (e) mit der Gestaltentwicklung der restlichen und zugleich tieferen Strukturen in der Schale,
4 schematisch auf der linken Seite die Draufsicht auf einen Ausschnitt einer hexagonal strukturierten Schale, mit der Aufsicht in die Mulden hinein, sowie auf der rechten Seite ein Grenzformänderungsdiagramm mit den Umformungen eines strukturierten Blechwerkstoffes aus Stahl,
5 schematisch die Draufsicht auf eine glatte, tiefgezogene Schale als Wanne sowie zwei Querschnitte,
6 schematisch analog zu 5 die Draufsicht auf einen Ausschnitt einer hexagonalförmig strukturierten Schale sowie zwei Querschnitte,
7 schematisch ein Verfahren zum Herstellen einer strukturierten Schale als Wanne in einer beginnenden Position (a) und einer momentan anschließenden Position (b) analog 1, jedoch mit dem größeren freien Raum im mittleren Bereich der Schale zwischen der Schale und dem Stützelementwerkzeug,
8 schematisch ein Verfahren zum Herstellen einer strukturierten Schale analog 7, jedoch in einer weiter folgenden Position (c) und einer abschließenden Position (d) mit der Gestaltentwicklung der restlichen und zugleich tieferen Strukturen in der Schale,
9 schematisch den Querschnitt von einer glatten, tiefgezogenen Schale als Wanne mit unterschiedlichen Einformungen durch eine senkrechte Belastung durch einen Stempel in der Mitte der Schale,
10 schematisch ein Verfahren zum Herstellen einer strukturierten Schale als Wanne in einer beginnenden Position (a) und einer abschließenden Position (b) mit einem fluidischen Wirkmedium und einem größeren freien Raum im Randbereich der Schale zwischen der Schale und einer strukturierten Matrize,
11 schematisch ein Verfahren zum Herstellen einer strukturierten Schale analog 10, jedoch mit einem größeren freien Raum in der Mitte der Schale zwischen der Schale und einer strukturierten Matrize,
12 schematisch ein Verfahren zum Herstellen einer strukturierten Schale als Wanne in einer beginnenden Position (a) und einer abschließenden Position (b) mit einem starren Stempel und einem größeren freien Raum im Randbereich der Schale zwischen der Schale und einem Stützelementwerkzeug,
13 schematisch ein Verfahren zum Herstellen einer strukturierten Schale als Wanne in einer beginnenden Position (a) und einer abschließenden Position (b) mit einem starren Stempel und einem größeren freien Raum im mittleren Bereich der Schale zwischen der Schale und einem Stützelementwerkzeug,
14 schematisch ein Verfahren zum Herstellen einer strukturierten Schale als Wanne in einer beginnenden Position (a) und einer abschließenden Position (b) mit einem starren Stempel und einem größeren freien Raum im Randbereich der Schale zwischen der Schale und einer strukturierten Matrize.
15 schematisch ein Verfahren zum Herstellen einer strukturierten Schale als Wanne in einer beginnenden Position (a) und einer abschließenden Position (b) mit einem starren Stempel und einem größeren freien Raum im mittleren Bereich der Schale zwischen der Schale und einer strukturierten Matrize,
16 schematisch ein Verfahren zum Herstellen einer Wanne mit einem ebenen, strukturierten Boden in einer beginnenden Position (a) und einer momentan anschließenden Position (b) mit dem größeren freien Raum zwischen schwach gekrümmter Schale und Stützelementwerkzeug im Randbereich der Schale in einer beginnenden Position (a) und einer momentan anschließenden Position (b) mit einem elastomeren Wirkmedium,
17 schematisch ein Verfahren zum Herstellen einer Wanne mit einem ebenen, strukturierten Boden, analog 16, jedoch in einer folgenden Positionen (c) und einer abschließenden Position (d),
18 schematisch ein Verfahren zum Herstellen einer strukturierten Platte in einer beginnenden Position (a) und einer momentan anschließenden Position (b) mit dem größeren freien Raum zwischen einer sehr wenig gekrümmten Schale und einem ebenen Stützelementwerkzeug im mittleren Bereich mit einem elastomeren Wirkmedium,
19 schematisch ein Verfahren zum Herstellen einer strukturierten Platte, analog 18, jedoch in einer folgenden Position (c) und einer abschließenden Position (d),
20 schematisch, analog zu 6, die Draufsicht auf einen Ausschnitt einer hexagonalförmig strukturierten Schale als Wanne sowie zwei Querschnitte mit einem örtlichen, glatten Bereich in der Mitte,
21 schematisch, analog zu 6, die Draufsicht auf einen Ausschnitt einer hexagonalförmig strukturierten Schale als Wanne sowie zwei Querschnitte mit einem schmalen, zusammenhängenden, glatten Bereich.
In der 1 wird zum Herstellen einer strukturierten Schale, als konvex gekrümmter Boden einer tiefgezogenen Wanne, zunächst auf der linken Seite in Position (a) ein elastomeres Wirkmedium 2, das von einem Druckkasten 3 umgeben wird, etwas gegen die glatte Schale 1 bewegt. Ein spaltförmiger, größerer freier Raum zwischen der glatten Schale 1 und den Stützelementen 4 auf dem Stützelementwerkzeug entsteht im Randbereich der Schale 1, so dass sich zuerst der mittlere Bereich der glatten Schale 1 an die Stützelemente 4 anlegen kann. Auf der rechten Seite in Position (b) bewirkt eine Druckkraft F > 0 des elastischen Wirkmediums 2, dass die konvex gekrümmte, glatte Schale 1 vorzugsweise in ihrem mittleren Bereich zu einer schwach eingebeulten Schale 10 umgebildet wird und sich dabei an die Stützelemente 11 anlegt (in dem Querschnitt ist nur ein Stützelement 11 sichtbar). Um einen Beulvorgang zu unterstützen, wird die konvex gekrümmten Schale 1 an ihrem Rand an der Stelle 9 fixiert, d. h. quasi „eingesperrt”. Das geschieht in der 1 beispielhaft durch Formschluss zwischen der Zarge 8 und dem Druckkasten 3 sowie zwischen dem Flansch 7 und der starren Aufnahme 6.
In der 2 wird, analog zu 1, für das Bilden weiterer Strukturen der Wirkdruck (F > 0) weiter erhöht. Hierdurch wird die konvex gekrümmte, glatte Schale 1 in ihrem seitlichen Bereich teilweise eingebeult, wodurch sie sich vorzugsweise örtlich an die Stützelemente 13 anlegt, und ferner wird die Schale in ihrer Mitte durch ihre Auflage an den Stützelementen 11 und 13 bereits etwas eingeformt. Ferner können die Radbereiche der glatten Schale 14, 15 weiter konvex gekrümmt bleiben. Diese Umbildungen der glatten Schale können auch unregelmäßig ablaufen; sie sind hier nur schematisch beschrieben.
In der 3, auf der linken Seite als Position (d), wird der Wirkdruck (F > 0) noch weiter gesteigert, damit sich die Strukturen 16, 17 und 19 tiefer ausbilden können. Wesentlich ist bei dem gesamten Umformvorgang (einschließlich in 1 und 2), dass infolge des immer kleiner werdenden freien Raumes, zwischen der Schale einerseits und den Stützelementen andererseits, der Werkstoff der Schale von ihren Rändern in den mittleren Bereich der Schale quasi hineingeschoben wird, wodurch Druck-Membran-Kräfte in der Schale aufgebaut werden können (schematisch gekennzeichnet durch die waagerechten Pfeile in 2 und 3). Mit Hilfe dieser aufgebauten Druck-Membran-Kräfte in der Schale wird erreicht, dass im Bereich der Falten bzw. Wülste im Wesentlichen Druck- und Biegespannungen aufrechterhalten werden. Das gilt sogar für die abschließende Position (e) auf der rechten Seite von 3, wobei durch noch größeren Wirkdruck (F >> 0 die Strukturen 21, 22, 23 tief ausgeformt werden, und dabei im Bereich ihrer Mulden bzw. Kalotten der Werkstoff der Schale erheblich plastifiziert werden kann. Der Wirkdruck wird dabei so weit gesteigert, dass sich die gesamte Schale an alle Stützelemente fest anlegt, der freie Raum (noch zu erkennen bei 20 in Position d) zwischen der Schale und der lichten Krümmung der Stützelemente 4 ganz verschwindet (Position e), und dabei die Druck-Membran-Spannungen im Bereich der Falten bzw. Wülste der strukturierten Schale aufrechterhalten werden können.
In der 4 werden diese beschriebenen Effekte durch visioplastische Messungen bestätigt. Bei diesem Messprinzip werden die örtlichen Verformungen durch Kameras in einer Draufsicht auf die strukturierte Schale (vor dem Strukturieren mit einem optischen Raster versehen), mit einer Sicht in die Mulde bzw. Kalotte hinein und auf die konvexe Seite der Falten bzw. Mulden, registriert und dann die Umformungen aus der Strukturierung ausgewertet. Auf der linken Seite von 4 sind in einer Draufsicht auf eine hexagonal strukturierte Materialbahn die Falten bzw. Wülste 24 (in Laufrichtung der strukturierten Materialbahn der Schale) und 25 (quer zur Laufrichtung der strukturierten Materialbahn der Schale) doppelt gestrichelt und die Mulden bzw. Kalotten 26 einfach gestrichelt gekennzeichnet. Auf der rechten Seite von 4 sind in einem Grenzformänderungsdiagramm beispielhaft für eine Schale aus Stahlblech die Umformgrade Φ dargestellt, wobei die gestrichelten Kennzeichnungen denen des linken Bildes von 4 entsprechen. Die auf der linken Seite doppelt gestrichelt gekennzeichneten Falten bzw. Wülste 24 und 25 entsprechen den auf der rechten Seite doppelt gestrichelt gekennzeichneten Umformgraden Φ27, und die auf der linken Seite einfach gestrichelt gekennzeichneten Mulden bzw. Kalotten 26 entsprechen den auf der rechten Seite einfach gestrichelt gekennzeichneten Umformgraden Φ28. Bemerkenswert ist, dass die Umformgrade Φ27 im Bereich der Falten bzw. Wülste 24, 25 überwiegend sowohl in der Hauptformänderung Φ1 als auch in der Nebenformänderung Φ2 negative Werte aufweisen, was Druckbereiche bedeuten. Es sei daran erinnert, dass die Messwerte im Grenzformänderungsdiagramm sich auf die Draufsicht auf die konvexe Seite der Falten bzw. Wülste 24, 25 bezieht. An der Oberseite der konvex gekrümmten Falten bzw. Wülste 24, 25 existieren natürlich auch Zugspannungen aus dem Biegeanteil, die im Grenzformänderungsdiagramm nicht explizit zu erkennen sind, da die Druckspannungen aus den Druck-Membran-Spannungen im Grenzformänderungsdiagramm überwiegen können. Hieraus folgt, dass die resultierenden Druckumformungen im mittleren und unteren (konkav gekrümmten) Bereich der Falten bzw. Wülste 24, 25 noch größer ausfallen, da zusätzlich Druckspannungen aus dem Biegeanteil hinzukommen können.
In der 5 wird in einer Draufsicht und in Querschnitten A-A und B-B eine tiefgezogene Wanne mit ihrem schalenförmigen, glatten Boden der Wanddicke s, mit einer Zarge 8 und einem Flansch 7 dargestellt. Der konvex gekrümmte Boden 1 besitzt eine Höhe h, eine Länge l und eine Breite b.
In der 6 wird, analog zu 5, in einer Draufsicht und in Querschnitten A-A, B-B, C-C ein Ausschnitt der tiefgezogenen Wanne mit einem schalenförmigen, hexagonal strukturierten Boden dargestellt. Im Querschnitt A-A sind im mittleren Bereich der Schale die Mulden bzw. Kalotten 26 mit ihrer Strukturtiefe f (sogenannte Pfeilhöhe der gebildeten Struktur) und der sich bei dem Strukturierungsvorgang etwas reduziert einstellenden Höhe h (im Vergleich zur Höhe h in 5) der Schale dargestellt. Im Querschnitt B-B sind im mittleren Bereich der Schale die Konturen (bei einem Schnitt schräg durch die zick-zackförmig angeordneten Falten bzw. Wülste 24 mit den angrenzenden Mulden bzw. Kalotten 26) entsprechend flacher dargestellt. Im Querschnitt C-C sind die Mulden bzw. Kalotten 26 des mittleren Bereiches der Schale in einer anderen Richtung dargestellt. Die gebildeten Strukturtiefen f (Differenz zwischen 24 und 26) im Schnitt A-A und die gebildeten Strukturtiefen f (Differenz zwischen 25 und 26) im Schnitt C-C können vorteilhaft den gleichen oder zumindest näherungsweise den gleichen Betrag aufweisen, sodass im Wesentlichen eine isotrope Versteifung (in zick-zack-Richtung der Falten bzw. Wülste 24 und denen quer dazu) durch das Strukturieren erreicht werden kann. Das resultiert nach dem Verfahren aus der Tatsache, dass ein freier umlaufender Raum zwischen der anfänglich glatten Schale 1 und den lichten Stützelementen 4 in allen horizontalen Richtungen der Schale gebildet wurde (in den 1 bis 3, 7 bis 8, 10 bis 19 nicht explizit dargestellt). Bei den bekannten beul- bzw. wölb- oder dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahnen war das noch nicht zu erreichen.
In der 7 legt sich, analog zu 1, ein Wirkmedium 2 durch sein Eigengewicht gegen eine konvex gekrümmte Schale 31 an, wobei jedoch die Krümmung der Schale 31 etwas größer ist als die lichte Kontur der Stützelemente 4. Dadurch legt sich die Schale 31 zunächst nur an ihrem Rand, gekennzeichnet durch die Stelle 30, in der Position a auf der linken Seite, an die Stützelemente 4 an. Mit steigender Druckkraft F > 0 des Wirkmediums 2 (Position b) bildet sich vorzugsweise im mittleren Bereich der Schale 33 eine flache Einbeulung, da dort die Druckkraft des Wirkmediums 2 (das Wirkmedium vereinfachend als Bereiche mit örtlich zusammengedrückten Federn mit gegenseitiger elastischer Kopplung angenommen) etwas größer ist als an den seitlichen Rändern der Schale. Hierdurch kann sich die glatte Schale vorzugsweise an die Stützelemente 32 anlegen.
In der 8 drückt dann das Wirkmedium 2 in den Endphasen des Strukturierungsprozesses stärker gegen die bereits etwas strukturierte Schale, wobei die Strukturen in der Position (c) etwas tiefer und in der abschließenden Position (d) vollständig ausgebildet werden können. Auf die Zwischenzustände analog der 2 und der 3 (Position d) wurde in 8 vereinfachend verzichtet.
In der 9 wird ein Querschnitt von einer tiefgezogenen Wanne aus Stahlblech der Wandstärke s = 0,6 mm mit einem konvex gekrümmten Boden, im Folgenden kurz Schale 1 genannt, einer umlaufenden Zarge 8 und einem Flansch 7 dargestellt, wobei ein runder Stempel mit der Stempelkraft F senkrecht gegen den mittleren Bereich der Schale stufenweise beulartig drückt. Dabei breitet sich die eingedrückte Beule gleichmäßig etwa konzentrisch aus, mit anderen Worten: eine zuerst gebildete kleine Beule kann stufenlos in die größere Beulform übergehen, ohne dass dabei störende Knicke in der Schale verbleiben. (Hinweis: Analoges kann prinzipiell in der konvex gekrümmten Schale 1 in 1 und in der Schale 31 in 7 geschehen, jedoch mit dem Unterschied, dass die Größe der sich bildenden Beule bzw. Beulen durch einen örtlichen Abstand zwischen der konvex gekrümmten Schale 1 und den Stützelementen 4 begrenzt wird). Es ergeben sich beispielhaft stufenweise beulförmige, senkrechte Deformationen δ = 6 mm, 8 mm, 11 mm mit den entsprechenden horizontalen Ausbreitungen l = 80 mm, 130 mm, 170 mm der gebildeten Beulen.
In der 10 drückt (anstatt einem elastischen Wirkmedium 2 in 1) ein fluidisches Wirkmedium 45 gegen eine konvex gekrümmte, glatte Schale 1 und dann gegen eine strukturangepasste starre Matrize 48 (anstatt Stützelemente 4). Dabei liegt die Schale 1 zuerst im mittleren Bereich der Schale an, wodurch ein freier Raum zwischen der glatten Schale und der lichten Konturlinie im Randbereich der Schale gebildet wird (analog zu 1). In der Position (a) ist der Vorratsbehälter 46 mit dem fluidischen Wirkmedium 45 noch verschlossen. Dann wird der Vorratsbehälter 46 mit dem fluidischen Wirkmedium 45 geöffnet, und das Wirkmedium 45 kann gegen die gekrümmte ebene Schale 1 (in 10 nicht explizit dargestellt) drücken. In der Position (b) wird der Endzustand mit der Druckanzeige 47 dargestellt, wobei die Schale vollständig gegen die Kontur der strukturierten Matrize 48 gedrückt wurde (in 10 sind die Zwischenzustände zur Vereinfachung nicht explizit dargestellt).
In der 11 drückt, analog zu 10, ein fluidisches Wirkmedium 45 gegen eine konvex gekrümmte, glatte Schale 1 und dann gegen eine strukturangepasste starre Matrize 48. Dabei legt sich in der Position (a) die Schale 1 zuerst im Randbereich der Schale an der starren Matrize 48 an, wodurch der freie Raum zwischen der glatten Schale und der lichten Konturlinie der Matrize im mittleren Bereich der Schale gebildet wird (analog zu 7). In der Position (a) ist der Vorratsbehälter 46 mit dem fluidischen Wirkmedium 45 noch verschlossen. In der Position (b) wird der Endzustand dargestellt, wobei die Schale vollständig gegen die Kontur der strukturierten Matrize 48 gedrückt wurde.
In der 12 drückt, analog zu 1, anstatt eines Wirkmediums ein starrer Stempel 51, der die Kontur 52 einer gewünschten Struktur, vorzugsweise nachempfunden einer Kontur aus den in 1 gefundenen Strukturen 21, 22, 23, besitzt, gegen eine glatte, gekrümmte Schale 1, wobei in der Position (a) sich die Schale zuerst in seiner Mitte an die Stützelemente 4 anlegt. In der Endposition (b) werden die fertigen Strukturen 53 ausgebildet.
In der 13 drückt, analog zu 12, ein starrer Stempel 51 gegen eine glatte, gekrümmte Schale 1, wobei in der Position (a) sich die Schale zuerst im Randbereich der Schale an die Stützelemente 4 anlegt. In der Endposition (b) werden die fertigen Strukturen 54 ausgebildet.
In der 14 drückt ein starrer Stempel 51, der die Kontur 52 einer gewünschten Struktur aufweist, gegen eine glatte, gekrümmte Schale 1, und dann gegen eine Matrize 55 mit entsprechend angepassten Konturen 56. In der Position (a) legt sich die die glatte Schale 1 zuerst im Randbereich der Schale an die Matrize 55, 56 an. In der Endposition (b) werden die fertigen Strukturen 57 in der Schale ausgeformt.
In der 15 drückt, analog zu 14, ein starrer Stempel 51 gegen eine glatte, gekrümmte Schale 1 und dann gegen eine Matrize 55 mit entsprechend angepassten Konturen 56, wobei in der Position (a) sich jedoch die glatte Schale 1 zuerst im mittleren Bereich der Schale an die Konturen 56 der Matrize 55 anlegt. In der Endposition (b) werden die fertigen Strukturen 58 in der Schale ausgeformt.
In der 16 drückt, analog zu 1, ein Wirkmedium 60 gegen eine nur sehr wenig gekrümmte Schale 62, d. h. gegen einen schwach konvex gekrümmten Boden einer tiefgezogenen Wanne, wobei in der Position (a) sich die Schale 62 zuerst im Randbereich an den Stützelementen 4 anlegt. Die Stützelemente 4 sind eben in einem Stützelementwerkzeug 61 angeordnet, damit ein strukturierter, ebener Boden in einer Wanne hergestellt werden kann. Zunächst bildet sich bei Wirkdruckbeaufschlagung (F > 0) vorzugsweise im mittleren Bereich eine leichte Eindellung 63, wodurch sich die Schale im Bereich der Stützelemente 64 örtlich anlegen kann.
In der 17 drückt das Wirkmedium 60 dann weiter gegen die Schale, wobei in der Position (c) sich die Strukturen 65, 66, 67 bereits zwischen den Stützelementen 4 etwas ausbilden können. Auch hierbei entsteht infolge des kleiner werdenden freien Raumes zwischen der nur sehr schwach gekrümmten Schale 62 und den eben angeordneten Stützelementen 4 eine kleine lichte Längendifferenz in der Schale mit daraus resultierenden Druck-Membran-Spannungen, gekennzeichnet durch den waagerechten Pfeil (analog zu den Pfeilen in der 2, 3). Dadurch bauen sich im Bereich der gebildeten Falten bzw. Wülste in dem ebenen Boden der Wanne in allen Richtungen vorzugsweise Druckspannungen auf. Das kann auch für den Fall gelten, dass tiefe Mulden bzw. Wülste 68, 69, 70 in der Endposition (d) bei einer hohen Wirkdruckbeaufschlagung (F >> 0) gebildet werden. Die Übergangsstruktur 71 kann sich am Rand bilden.
In der 18 drückt, analog zu 16, ein Wirkmedium 60 gegen eine nur sehr wenig gekrümmte Schale 74 mit einem ebenen, glatten Rand, wobei in der Position (a) sich der Bereich der flachen Schale 74 zuerst im Randbereich an den Stützelementen 4 anlegt. Die Stützelemente 4 sind eben in einem Stützelementwerkzeug 61 angeordnet, damit dann vorzugsweise eine strukturierte, ebene Platte, auch mit einem ebenen Randbereich, hergestellt werden kann. Zunächst bildet sich bei einer Wirkdruckbeaufschlagung (F > 0) vorzugsweise im mittleren Bereich eine leichte Einbeulung 75, wodurch sich die Schale 74 im Bereich der Stützelemente 76 anlegen kann. Da der Beulvorgang einer Schale eine seitlichen Fixierung ihrer Ränder voraussetzt, wird in 18 diese Fixierung vorzugsweise durch einen Reibschluss zwischen einem Druckrahmen 72 und der Oberseite des Flansches 7 einerseits und zwischen einem starren Aufnehmer 73 und der Unterseite des Flansches 7 andererseits realisiert. Die Fixierung an den Rändern kann alternativ auch mit Hilfe von eingeprägten Sicken oder Stufen erfolgen (in 18 nicht explizit dargestellt).
In der 19 drückt, analog zu 18, ein Wirkmedium 60 in der Position (c) dann weiter gegen die sehr wenig konvex gekrümmte bzw. örtlich bereits eingebeulte Schale, wobei sich die Strukturen 77, 78, 79 zwischen den Stützelementen 4 und die Strukturen 80 am Rand bereits etwas ausformen können. In der Endposition (d) werden die Strukturen 81, 82, 83, 84 weiter ausgeformt. Als Ergebnis entsteht eine strukturierte, ebene oder zumindest nahezu ebene, strukturierte Platte mit ebenen Rändern, die im Gegensatz zu den bekannten beul- bzw. wölbstrukturierten oder dreidimensional wellenförmigen Materialbahnen oder Platinen sowohl in Laufrichtung als auch quer zur Laufrichtung gleich hohe oder zumindest nahezu gleich hohe und ferner im Gegensatz zu den konventionell geprägt strukturierten (mit Zugspannungen und örtlichen Materialausdünnungen im Bereich der Falten) eine vergleichsweise große und etwa isotrope Versteifung ergeben. Alternativ kann eine leichte gebildete Krümmung in der strukturierten Platte die globale Formsteifigkeit noch erhöhen sowie ihre akustischen Eigenschaften, wie vermindertes Dröhnen und Klappern, verbessern.
In der 20 wird, analog zu 6, in einer Draufsicht und in Querschnitten A-A, B-B, C-C ein Ausschnitt einer tiefgezogenen Wanne mit einem schalenförmigen, hexagonal strukturierten Boden dargestellt, wobei beispielhaft in der Mitte des Bodens die Mulde bzw. Kalotte einer Struktur zu einer ebenen, glatten Form 85 (vorzugsweise als spätere Fügestelle) geformt ist. Alternativ kann auch anstatt der ebenen, glatten Form 85 eine kleine Gegenbeule gebildet werden. Alle diese partiellen Umformungen können entweder während des Strukturierungsprozesses (durch eine entsprechende Gestaltung des Stützelementwerkzeuges) oder auch sekundär eingebracht werden.
In der 21 wird, analog zu 6, in einer Draufsicht und in Querschnitten A-A, B-B, C-C ein Ausschnitt einer tiefgezogenen Wanne mit einem schalenförmigen, hexagonal strukturierten Boden dargestellt, wobei beispielhaft in dem Boden mehrere aneinandergrenzende Strukturen zu einer beispielsweise durchgehend glatte Gestalt 86 geformt sind. Beim Strukturierungsprozess kann dabei zwar der Werkstoff im Bereich dieser glatten Gestalt 86 und der angrenzenden Strukturbereiche etwas anders plastifiziert werden, jedoch wirken die Flanken dieser ebenen Gestalt 86 und die angrenzenden Falten bzw. Wülste 24, 25 so formsteif, dass ein Einknicken der letzteren vermieden werden kann.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer strukturierten Schale oder Platte mit dreidimensionalen Strukturen, wobei im ersten Prozessschritt aus einer ebenen Materialbahn eine glatte Schale (1, 31, 62, 74) hergestellt wird, wobei im zweiten Prozessschritt ein Druckelement (2, 45, 51, 60) gegen die konvexe Seite der glatten Schale (1, 31, 62, 74) und dann gegen polygonförmig angeordnete Stützelemente (4), deren lichte konvexe Kontur der konkaven Seite der Schale so angepasst wird, dass die Krümmung der glatten Schale (1, 31, 62, 74) etwas größer oder etwas kleiner ist als die Krümmung der lichten Kontur der Stützelemente (4), drückt, wodurch – zunächst ein Bereich der Schale die Stützelemente (4) berührt und somit ein schmaler freier Raum zwischen der Schale und den Stützelementen (4) gebildet wird, – dann durch Beaufschlagung des Druckelementes (2, 45, 51, 60) Druckmembranspannungen gebildet werden und die konvex gekrümmte Schalenform (1, 14, 15, 20, 31, 62, 74) in konkav gekrümmte Schalenbereiche (10, 33, 63, 75) umgebildet werden, wobei die konkav gekrümmten Schalenbereiche (10, 33, 63, 75) gegen das Stützelementwerkzeug (5, 48, 55, 61) bewegt werden, sich anlegen und dort Druckmembranspannungen gebildet werden, – und durch weiter erhöhte Beaufschlagung des Druckelementes (4) die polygonen Strukturen (12, 16, 17, 19, 21, 22, 23, 26, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 49, 50, 53, 54, 57, 58, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84) in der Schale tiefer ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Beul- bzw. Wölbstrukturen oder dreidimensional wellenförmige Strukturen, mit Falten bzw. Wülsten (24, 25) und von diesen Falten bzw. Wülsten (24, 25) eingeschlossenen Mulden bzw. Kalotten (26), gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle von Blechen die glatte Schale (1, 31, 62, 74) durch Tiefziehen, Streckziehen oder Drücken gebildet wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung des Bodenbereiches der glatten Schale (1, 31, 62, 74) mindestens um den Faktor etwa 1,5 größer ist als das Verhältnis von Pfeilhöhe f des Bereichs der Schale und Wanddicke s der Schale und wobei die Ränder der Schale fixiert werden, und wobei im Bereich der gebildeten Falten bzw. Wülste der polygonen Strukturen (12, 16, 17, 19, 21, 22, 23, 26, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 49, 50, 53, 54, 57, 58, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84) im Wesentlichen Druck- und Biegedeformationen gebildet werden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixierung der Ränder der Schale (7, 8) durch Formschluss (3, 6, 9) oder durch Reibschluss (72, 73) gebildet wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckelement (2, 45, 51, 60) aus einem Wirkmedium, wie Elastomer (2, 60) oder wie Fluid (45), oder aus einem starren Werkzeug (51, 52), bestehend beispielsweise aus metallischen Werkstoffen oder organischen Werkstoffen gebildet wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Konturen der Stützelemente (4) gerundet, insbesondere als Negativ-Kontur von Wülsten der dreidimensional wellenförmigen Strukturen, gebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützelemente (4) in einem Werkzeug (5, 48, 55, 56, 61) gebildet bzw. angeordnet sind.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen (12, 16, 17, 19, 21, 22, 23, 26, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 49, 50, 53, 54, 57, 58, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84) dreieckig, viereckig, fünfeckig, sechseckig (24, 25, 26), siebeneckig oder achteckig gebildet werden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Teilbereiche von einzelnen oder aneinandergrenzenden polygonen Strukturen (12, 16, 17, 19, 21, 22, 23, 26, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 49, 50, 53, 54, 57, 58, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84) eben (85, 86) oder mit einer der Struktur angepassten, kleineren Gegenmulde gebildet werden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass polygonförmige strukturierte, schalenförmige oder ebene oder zumindest nahezu ebene Bauteile gebildet werden.
Verwendung der nach einem der Verfahren der Ansprüche 1 bis 11 hergestellten strukturierten Schale oder Platte als formstabiles, crashrelevantes, schalldämpfendes gekrümmtes Bauteil.
Verwendung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Karosserieteil ist, wie beispielsweise eine Verstärkungsschale von Türen, Dächern, Hauben, Wannen und Klappen oder dass das Bauteil ein Reflektor ist, oder dass das Bauteil eine Sitzschale ist.
Verwendung der nach einem der Verfahren der Ansprüche 1 bis 11 hergestellten strukturierten Schale oder Platte als formstabiles, crashrelevantes, schalldämpfendes ebenes Bauteil.
Verwendung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine Trennwand ist oder eine Boden- oder Deckenwand ist oder eine Sitzwand ist im Fahrzeugbau, Bauwesen und Apparatebau.