DE102013017644B4 - Verfahren zum Herstellen einer mehrdimensional strukturierten Materialbahn und Verwendung derselben - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer mehrdimensional strukturierten Materialbahn mit einer wellenförmigen oder wölbförmigen Strukturierung aus aneinander angeordneten Strukturen aus Wülsten oder Falten und von den Wülsten oder Falten eingeschlossenen Kalotten oder Mulden, wobei in oder schräg zur Laufbahnrichtung angeordnete Stützelemente sowie quer zur Laufbahnrichtung angeordnete Stützelemente partiell gegen die eine Seite der Materialbahn drücken und wobei angepasste Druckelemente gegen die andere Seite der Materialbahn drücken und die Kalotten oder Mulden ausformen, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckelemente variabel gegen die Materialbahn und die Stützelemente drücken, wobei die Zustellkraft beim Strukturieren variabel in Abhängigkeit vom Gütefaktor eingestellt wird und wobei der Gütefaktor bestimmt wird aus dem Steifigkeitsfaktor bei Biegung in der einen Richtung der strukturierten Materialbahn und dem Quotienten der Dehnelastizität bei Zug/Druck in Membranrichtung in der anderen Richtung der Materialbahn, wobei der Gütefaktor in einem Bereich von 0,2 bis 1,0 vorzugsweise von 0,3 bis 0,8, bei einem Verhältnis der Strukturtiefe zur Wanddicke von 1 bis 20, vorzugsweise von 8 bis 12, gebildet wird.

Description

• Es werden mehr mehrdimensional versteifte Leichtbauteile bei geringem Gewicht insbesondere im Fahrzeugbau und im Bauwesen gebraucht, die Ressourcen schonend hergestellt werden und zugleich zusätzliche vorteilhafte Gebrauchseigenschaften, beispielsweise ein stabiles, d. h. den Durchschlag reduzierendes, und leises (mit reduziertem Körperschall) zylindrisch konvex gebogenes Dachelement aufweisen. Die Schwierigkeit besteht insbesondere in der Lösung von fünf, sich teilweise widersprechenden, Aspekten: Erstens werden dreidimensionale Strukturen benötigt, die ein Bauteil aus dünnwandigem Material, insbesondere Blech, sowohl in Längs- als auch in Querrichtung eines Bauteils bei Biegebelastung hoch versteifen, um die Wanddicke gegenüber der glatten, d. h. nicht strukturierten, Wand reduzieren zu können. Das spricht für möglichst tiefe dreidimensionale Strukturen in der Wand des Bauteils (für ein großes Flächenträgheitsmoment und somit große Biegesteifigkeit). Es existieren jedoch nur wenige Leichtbauteile, wobei das dünnwandige Material nur auf Biegung beansprucht wird. In der Regel sind die dünnwandigen Leichtbauteile an ihren Rändern durch Auflager, wie steifer Rahmen, fixiert, so dass das dünnwandige Material zusätzlich auf Zug oder Druck (im Fachjargon Normal- bzw. Membrankraft) oder auf Schub beansprucht wird. Deshalb besteht der zweite Aspekt darin, dass sich bei ansteigender Strukturtiefe die strukturierte Wand zunehmend dehnelastischer verhält, weil sich bei Zug- oder Druck-Membrankraft die dreidimensionalen Strukturen quasi auf- oder zubiegen und sich dadurch häufig wie ein unerwünschter Kompensator verhalten. Der dritte Aspekt besteht darin, dass tiefe dreidimensionale Strukturen schwierig herzustellen sind, ohne dass die Wand unerwünscht ausgedünnt wird und der Werkstoff der Wand sehr hoch plastifiziert wird. Den vierten Aspekt erkennt man am Beispiel eines zylindrisch konvex gebogenen Leichtbaudachelementes, das von oben mittig oder außer-mittig belastet wird und einfach in unterschiedlichen Krümmungen herzustellen sein soll. Als Alternative zu den dreidimensionalen Strukturen existieren konvex gekrümmte Wellbleche, deren Wellungen in Umfangsrichtung des zylindrischen Dachelementes anzuordnen sind und deshalb nicht aus einem preisgünstigen Wellblech einfach in die gewünschte Gestalt des Dachteils gebogen werden können. Bei einem konvex zylindrisch gebogenen dachförmigen Blechteil bei Nennlast von oben besteht die Aufgabe darin, einen unerwünschten Durchschlag in die Gegenkrümmung zu unterdrücken, da hierbei der Werkstoff noch weiter plastifiziert wird und reißt, wenn nicht genügend Plastifizierungsreserven des Werkstoffs verfügbar sind. Der fünfte Aspekt besteht aufgrund der gegenläufigen Ansprüche hinsichtlich hoher Biegesteifigkeit (erster Aspekt) einerseits und geringer Dehnelastizität bei Normal- bzw. Membrankräften (zweiter Aspekt) andererseits in dem Wunsch, die Biegesteifigkeit und die Dehnelastizität belastungsgerecht einstellen zu können. Hierzu wäre es wünschenswert, unterschiedlich tiefe dreidimensionale Strukturen in demselben dünnwandigen Bauteil, insbesondere aus Blech, belastungsgerecht anordnen zu können, ohne dass das Bauteil dabei instabil wird und sich unzulässig verzieht. Die Schwierigkeit besteht also darin, diese fünf sich häufig widersprechenden Aspekte so gut wie möglich miteinander in Einklang zu bringen und einen praktikablen Herstellungsprozess zu ermöglichen. Wünschenswert wäre ein Verfahren, durch das hoch biege- und beulversteifende, dreidimensionale Strukturen in dünnwandige Materialbahnen, insbesondere Blech, bei möglichst geringer Dehnelastizität unter Normal- bzw. Membrankraft eingebracht werden können, und wobei noch möglichst große Plastifizierungsreserven für sekundäre Umformungen oder für eine große Dauerschwingfestigkeit im späteren Bauteilbetrieb vorgehalten werden können. Das soll ohne aufwändige Umformmaschinen und ohne komplizierte Formwerkzeuge geschehen. Im Folgenden wird auf diese Aspekte eins bis fünf Bezug genommen, um einerseits das neue Verfahren gegenüber den bekannten Verfahren klar abzugrenzen und andererseits die Ziele des neuen Verfahrens deutlich zu machen.
• Stand der Technik:
• Es sind strukturierte Bleche bekannt, bei denen höckerförmige Strukturen durch einen im Wesentlichen streckziehenden Umformprozess mit Hilfe von zwei mechanischen Formwerkzeugen, wie Formstempel und Formmatrize, oder eines Formwerkzeuges und eines Wirkmediums, in eine Blechbahn eingeformt werden. Unbefriedigend sind hierbei zwei Effekte: Erstens lasst sich eine deutliche Verbesserung der Biegesteifigkeit einer mit Höckern ausgestatteten Blechplatine nicht erzielen, weil die Blechbereiche zwischen den Höckern eben bleiben und somit nur wenig zur Verbesserung der Biegesteifigkeit beitragen. Zweitens tritt bei der Herstellung der Höcker eine hohe Plastifizierung des Blechwerkstoffs auf, weil dabei eine erhebliche Vergrößerung der Ausgangsfläche stattfindet und somit eine örtliche Ausdünnung der Blechdicke auftritt. Dieser Ausdünnung des Blechwerkstoffs könnte man dadurch entgehen, dass das Blech beim Umformen gerafft wird bzw. überall nachfließen kann. Letzteres ist aber nicht möglich, wenn der Blechwerkstoff durch den Eingriff von herkömmlichen Formwerkzeugen quasi festgehalten wird. Es sind ferner noppenartig geprägte Blechbahnen bekannt, die insbesondere als Wärmeabschirmbleche in Automobilen zur Anwendung kommen. Unbefriedigend ist hierbei, dass bei ihrer Herstellung in der Regel geometrisch vorgegebene Formwerkzeuge, wie eine noppenförmige Prägewalze, zum Einsatz kommen. Hierbei wird der Blechwerkstoff durch den flächigen, mechanischen Kontakt mit den Formwerkzeugen stark plastifiziert, ferner wird die Oberflächengüte des Ausgangsbleches erheblich in Mitleidenschaft gezogen, und schließlich ist der erzielte Biegesteifigkeitsgewinn gegenüber dem glatten Blech noch nicht befriedigend.
• Es sind beul- bzw. wölbstrukturierte Materialbahnen bekannt. Diese können viereckige ( EP 0693008 A1 ), vorzugsweise sechseckige ( EP 0900131 A1 ) oder wappenförmige ( EP 0888208 A1 ) 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 Strukturierungsprozessen. Diese bekannten beul- bzw. wölbstrukturierten Materialbahnen besitzen jedoch noch eine werkstoffliche Inhomogenität und eine prozessbedingte Inhomogenität. Werkstoffliche Inhomogenität: Der Werkstoff der Materialbahn wird beim Strukturieren im Bereich der Falten (charakterisiert durch enge Radien der Falten) mehr plastifiziert als im Bereich der Mulden. Somit bleiben die großen Pastifizierungsreserven des Werkstoffes im Bereich der Mulden noch ungenutzt, wenn ein primäres Ziel darin besteht, eine große Formsteifigkeit zu erreichen. Es erscheint zunächst naheliegend, die Plastifizierungsreserven im Bereich der Mulden dafür zu verwenden, dass mittels herkömmlicher mechanischer Formwerkzeuge tiefere Strukturen quasi ausgeprägt werden, um die Formsteifigkeit, insbesondere Biegesteifigkeit, weiter zu steigern. Das ist jedoch nicht ohne Weiteres möglich, weil dabei durch Zugkräfte (wie beim Streckziehen) der Bahnwerkstoff auch im Bereich der Falten erheblich gedehnt und somit die Wanddicke im Bereich der Falten reduziert würde. Auf diese Weise würde trotz Erhöhung der Strukturtiefen (für ein größeres Flächenträgheitsmoment) ein beträchtlicher Teil des maximal möglichen Steifigkeitsgewinns wieder zunichte gemacht. Beim sechseckigen Beul- bzw. Wölbstrukturieren werden die zick-zackförmigen Falten (in Laufrichtung der Materialbahn) etwas nach außen gekrümmt gebildet, weil sie sich beim Strukturieren von selbst eng an den Umfang der Stützelementwalze anlegen. Im Gegensatz dazu werden die Falten quer zur Umfangsrichtung der Stützelementwalze (quer zur Laufrichtung der Materialbahn) geradlinig gebildet, weil sie parallel zur Achse der Stützelementwalze gebildet werden. Deshalb sind die zick-zackförmigen Falten entlang des Umfangs der Stützelementwalze etwas länger als die Falten quer zur Laufrichtung der Materialbahn. Wird nun die etwa sechseckig beul- bzw. wölbstrukturierte Materialbahn nach dem eigentlichen Strukturierungsprozess in die ebene Lage gerichtet, werden die vergleichsweise längeren, zick-zackförmigen Falten fast gerade gebogen und dadurch in ihrer lichten Länge weiter gestreckt. Dadurch bauen sich in der strukturierten Materialbahn zu ihren benachbarten, etwas kürzeren Bereichen, wie Mulden und Falten quer zur Laufrichtung, innere Reaktionskräfte auf, wodurch die vergleichsweise längeren, zick-zackförmigen Falten gestaucht und damit weiter nach oben gebogen und somit weiter erhöht werden, wogegen die Falten quer dazu gedehnt/aufgebogen und damit in ihrer Höhe verringert werden. Nachteilig ist bei diesen bekannten Verfahren zum Beul- bzw. Wölbstrukturieren, dass der Zusammenhang zwischen gewünschter hoher Biegesteifigkeit (erster Aspekt) und möglichst geringer Dehnelastizität (zweiter Aspekt) weder qualitativ noch quantitativ beschrieben noch für denkbare optimierte Bauteile bei überlagerten Lastfällen, wie kombinierte Biege- und Zug- bzw. Druckbelastung, in Betracht gezogen wurde.
• Bekannt ist ferner ein Verfahren zur Beulverformung dünner Wände und Folien ( DE 43 11 978 C1 ), wobei die Tiefe der Beulen beim elastischen Beulen quasi selbstständig eingestellt wird und im Wesentlichen durch die Größe der Beulen und durch den Krümmungsradius der aufgewickelten Spirale (entspricht sinngemäß der Stützelementwalze in den späteren Patentschriften der Dr. Mirtsch GmbH) bestimmt wird (DE 43 11 978 C1, Beschreibung Reihe 2, Zeilen 29 bis 32). Hierbei muss man aus geometrischen Gründen zur Erzeugung einer tiefen Beulmulde eine sehr große Beulfläche (gekennzeichnet z. B. durch eine vier- oder sechseckige Beulfläche in der Materialbahn) wählen. Das ist aus konstruktiven oder optischen Gründen bei späteren praktischen Anwendungen der beulstrukturierten Materialbahn in Fertigbauteilen häufig unerwünscht. Dieses Verfahren (DE 43 11 978 C1) liefert keine Hinweise zu den Aspekten zwei bis fünf.
• Ferner ist eine strukturierte Innenschale für eine Motorhaube mit Fußgängerschutz bekannt ( WO 02/47961 A1 ). Nachteilig ist hierbei, dass die Strukturen mit Hilfe einer Streck-Ziehumformung hergestellt werden müssen (erkennbar aus den glatten, d. h. nicht strukturierten Rändern der Innenschale), wobei der Werkstoff der Materialbahn erheblich plastifiziert wird. Auch in dieser WO 02/47961 A1 existieren keine Hinweise zu den Aspekten eins bis fünf und deren Verknüpfung.
• Bekannt ist ferner ein Bauteil aus einem Flachmaterial und ein Verfahren zu seiner Herstellung gemäß Patentanmeldung 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 sind hierbei zwei Effekte: Erstens wird das Flachmaterial 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 insgesamt 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. Zweitens können bei dem in WO 2008/062263 A1 beschriebenen Pressprozess nicht die Vorteile einer energie- und materialschonenden Strukturierung, die auf Basis einer kontrollierten Selbstorganisation gefunden wurde, zur Geltung kommen; denn die geometrischen Größen für die Krümmung des Werkzeuges, die Stützabstände der Stützelemente (in WO 2008/062263 A1 entsprechend den Zellbiegerändern) und die Dicke des Flachmaterials entsprechen nicht den Parametern, die eine Beul- bzw. Wölbstrukturierung, vorzugsweise auf der Basis einer kontrollierten Selbstorganisation, ermöglichen. Auch in dieser WO 2008/062263 A1 existieren keine Hinweise zu den Aspekten eins bis fünf und deren Verknüpfung.
• Ferner sind dreidimensional wellenförmige Strukturen ( DE 10 2005 041 516 A1 ) 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 (aus dem Hauptanspruch der DE 10 2005 041 516 A1). Es können auch starre Stützelemente auf einem Kern oder in einem Werkzeug verwendet werden, deren Kontur dem Wulst der dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahn angepasst ist (sinngemäß aus DE 10 2005 041 516 B4, insbesondere Anspruch 5). In dieser DE 10 2005 041 516 A1 finden sich Hinweise zu einer besonders Werkstoff- und Oberflächen schonenden und eher isotropen dreidimensionalen Strukturversteifung von dünnwandigen Materialbahnen. Jedoch bleibt die Strukturversteifung bei reiner biegender Belastung unbefriedigend. Es existieren auch in dieser DE 10 2005 041 516 A1 keine Hinweise zu den Aspekten eins bis fünf und deren Verknüpfung.
• Ferner wird in der DE 10 2010 034 076 B3 ein Verfahren zum Herstellen einer strukturierten, geraden oder gekrümmten Materialbahn beschrieben, wobei die Materialbahn mit einer mehrdimensionalen Strukturierung, vorzugsweise mit einer dreidimensional wellenförmigen oder wölbförmigen Strukturierung, mit aneinander angeordneten Strukturen, vorzugsweise mit Wülsten oder Falten und von den Wülsten oder Falten eingeschlossenen Kalotten oder Mulden, versehen wird, wobei in oder schräg zur Laufbahnrichtung angeordnete, insbesondere zick-zackförmig konvex gekrümmte, Stützelemente, und quer zur Laufbahnrichtung angeordnete Stützelemente partiell gegen die eine Seite der Materialbahn drücken, und wobei konvex gerundete, angepasste Druckelemente, die vorzugsweise versetzt zwischen den Stützelementen angeordnet sind, gegen die andere Seite der Materialbahn drücken und die vorzugsweise Kalotten oder Mulden ausformen, wobei insbesondere durch eine biegende Umformung der Materialbahn die vorzugsweise Wülste oder Falten in Laufbahnrichtung dadurch gebildet werden, dass die Materialbahn nur partiell um die gekrümmten Stützelemente gebogen wird, wobei vorzugsweise die Materialbahn durch eine äußere Belastung von den gekrümmten Stützelementen weggebogen wird und so eine Hebelwirkung aufgebaut wird, wobei erstens ein partielles Umklappen in der Materialbahn erzeugt wird, zweitens sich die Materialbahn in Laufrichtung rafft, drittens die Materialbahn gegen die quer zur Laufrichtung der Materialbahn angeordneten Stützelemente im Wesentlichen sequenziell gedrückt wird und ausgeformte, vorzugsweise Wülste bzw. Falten auch quer zur Laufbahnrichtung in der Materialbahn gebildet werden und viertens vorzugsweise tief ausgeformte Kalotten bzw. Mulden gebildet werden, wobei die Wanddicke im Bereich der Wülste bzw. Falten im Wesentlichen unverändert bleibt (zitiert aus dem Anspruch 1 der DE 10 2010 034 076 B3). Die Kontur der Stützelemente kann unter Ausnutzung einer Selbstorganisation gebildet werden (zitiert aus dem Anspruch 2 der DE 10 2010 034 076 B3). Starre Stützelemente können auf einem Kern oder in einem Werkzeug angeordnet werden, deren Kontur vorzugsweise dem Wulst der/des dreidimensional wellenförmig strukturierten- oder der Falte der/des wölbförmig strukturierten Materialbahn/Profils angepasst ist (zitiert aus dem Anspruch 3 der DE 10 2010 034 076 B3).
• Die Kontur der gerundeten Druckelemente kann aus der Kontur von sich selbst anpassenden elastischen Druckelementen bei der Ausbildung der Kalotten bzw. Mulden gebildet werden (zitiert aus dem Anspruch 4 der DE 10 2010 034 076 B3 ). Es können starre Druckelemente auf einem Kern oder in einem Werkzeug angeordnet werden, deren Kontur vorzugsweise der Kalotte der/des dreidimensional wellenförmig strukturierten oder der Mulde der/des wölbförmig strukturierten Materialbahn/Profils angepasst ist (zitiert aus dem Anspruch 5 der DE 10 2010 034 076 B3). Bei der Verwendung von starren Stützelementen kann zwischen den starren Stützelementen und der Materialbahn zusätzlich eine elastische Schicht geführt werden, wodurch gleich oder zumindest nahezu gleich tiefe Wülste gebildet werden (zitiert aus dem Anspruch 6 der DE 10 2010 034 076 B3). Hierdurch wird erreicht, dass, trotz der insbesondere tiefen Mulden oder Kalotten, eine Reduzierung der Wanddicke der Materialbahn im Bereich der Falten oder Wülste vermieden wird und eine nahezu isotrope – d. h. in mehreren Richtungen gleichmäßigere – Versteifung erzielt wird. Im Ergebnis ermöglicht dieses Verfahren (DE 10 2010 034 076 B3) also eine Herstellung von deutlich höher und zugleich nahezu isotrop biegesteiferen Materialbahnen als die traditionell tiefgezogenen/geprägten Höcker oder Noppen der 3D-Strukturen, und schont dabei erheblich mehr den Werkstoff (stark reduzierte Plastifizierung). Dieses in der DE 10 2010 034 076 B3 beschriebene Verfahren ermöglichst zwar die Herstellung tief wölbförmig strukturierter Materialbahnen mit hoher Biegesteifigkeit, klammert aber insbesondere die Problematik der damit einhergehenden erhöhten Dehnelastizität bei einer Belastung in Normalen- bzw. Membranrichtung aus kann deshalb auch keine qualitative und quantitative Antwort auf die Vereinbarkeit der Aspekte eins bis fünf – auch im Zusammenhang mit denkbar traditionell mit Hilfe von Formwerkzeugen geprägten dreidimensionalen Strukturen – liefern. In der DE 10 2010 034 076 B3 sind Stützelemente beschrieben, die „in ihrem Querschnitt gerundet” (Zitat aus der Beschreibung) sind. Dabei werden „die Stützelemente vorzugsweise so gestaltet und angeordnet, dass eine hoch versteifende Wirkung der Strukturen bei gleichzeitig weitgehender Schonung des Werkstoffs (geringer Pastifizierung des Werkstoffs) der Materialbahn erzielt wird...”, „...die Kalotten oder Mulden durch angepasste, gerundete Druckelemente vorzugsweise tief ausgeformt werden, wobei die Wanddicke der Materialbahn im Bereich der Kalotten oder Mulden nur moderat reduziert und im Bereich der Wülste oder Falten nicht reduziert oder sogar etwas verstärkt wird...” „...einerseits ein sanfter Übergang von den vorzugsweise tief ausgeformten Kalotten oder Mulden hin zu den Wülsten oder Falten ergibt und andererseits eine hohe Versteifung, insbesondere Biegesteifigkeit, erreicht wird...” (Zitate aus der Beschreibung der DE 10 2010 034 076 B3). Es existieren in der DE 10 2010 034 076 B3 keine Hinweise auf einen Zusammenhang von Biegesteifigkeit einerseits und Dehnelastizität anderseits und auch keine Hinweise darauf, durch welche konkreten Maßnahmen eine gewünschte Relation von hoher Biegesteifigkeit und möglichst geringer Dehnelastizität bei Zug/Druck in Normal- bzw. Membranrichtung zu erreichen wäre. Wenn in der DE 10 2010 034 076 B3 von den Begriffen „Zugkräften” und „kompensierenden Membran-Druckkräften” die Rede ist, stehen diese Begriffe in einem anderen Zusammenhang als die Begriffe „Zug- und Druckkräfte” und „Dehn- bzw. Membranelastizität” im Sinne des neuen Verfahrens unter Berücksichtigung der Aspekte eins bis fünf, wie im Folgenden begründet wird. In der DE 10 2010 034 076 B3 wird genannt: „Die Wanddicke der Materialbahn im Bereich der Wülste oder Falten bleibt trotz der auftretenden Zugkräfte durch den Eingriff der Druckelemente beim Ausformen der Kalotten oder Mulden deshalb etwa gleich, da beim örtlichen Umklappen von der Ausgangskrümmung in die Gegenkrümmung kompensierende Membran-Druckkräfte aufgebaut werden” (Zitate aus der Beschreibung der DE 10 2010 034 076 B3). Damit beziehen sich die Begriffe „Zugkräfte” und „kompensierende Membran-Druckkräfte” ausschließlich auf örtliche umformtechnische Vorgänge zur Erzielung von besonders Werkstoff schonenden tiefen wölbförmigen Strukturen während der Strukturbildung. Diese Begriffe beziehen sich jedoch keineswegs auf den Zusammenhang für ein Verfahren zur Erreichung einer hohen integralen Biegesteifigkeit bei gleichzeitig geringer integraler Dehnelastizität einer bereits strukturierten Materialbahn, d. h. zur Erreichung einer hohen belastungsgerechten Gesamtsteifigkeit (z. B. überlagerte Zug- und Biegebeanspruchung) des Bauteils insbesondere in Abhängigkeit von Strukturtiefe einerseits und Wanddicke der Materialbahn andererseits. Ferner ist in der Beschreibung der DE 10 2010 034 076 B3 von „im Wesentlichen isotropen Wulsttiefen” die Rede, ohne zu beschreiben und konkret anzugeben, welche Werte und mittels welchem Herstellungsverfahren die Biegesteifigkeiten und Dehnelastizitäten, jeweils in und quer zur Laufrichtung der Materialbahn, eingestellt werden können.
• Aufgabe der Erfindung
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer dreidimensional strukturierten Materialbahn zu finden, die eine variabel einstellbare Biegesteifigkeit mit einer hohen Relation von dieser Biegesteifigkeit zur Dehnelastizität, jeweils sowohl in Fertigungsrichtung der Strukturierung als auch quer zur Fertigungsrichtung der Strukturierung der Materialbahn, erzeugen kann. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die erzeugte Biegesteifigkeit mittels einer Korrelation zur Dehnelastizität näherungsweise beziffern zu können. Schließlich liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Verwendung einer mit insbesondere tiefen Mulden bzw. Kalotten ausgestatteten Platine aus Blech für ein zylindrisch konvex gebogenes und seitlich fixiertes Dachelement, das ein vermindertes Durchschlagverhalten und einen reduzierten Körperschall besitzt, sowie für ein beispielhaftes biege- und druckbelastetes Bauteil, sowie für ein beispielhaftes biege- und druckbelastetes Bauteil zu beschreiben.
• Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Herstellen einer mehrdimensional strukturierten Materialbahn mit einer wölbförmigen oder wellenförmigen Strukturierung nach dem unabhängigen Anspruch 1 und durch Verwendung einer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 hergestellten Materialbahn nach dem Anspruch 12. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens nach der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 11.
• Diese komplexe Aufgabenstellung wird nach der Erfindung im Wesentlichen durch die folgenden Merkmale gelöst, wobei die Merkmale miteinander verknüpft sind.
• Merkmal 1: Durch experimentelle Untersuchungen der Biegesteifigkeiten an wölbstrukturierten und 3d-wellenförmig strukturierten Blechstreifen, aus jeweils demselben Werkstoff und mit jeweils derselben Wanddicke und Breite, wurde gefunden, dass die Biegesteifigkeit angenähert durch die Strukturtiefe (in der Mechanik spricht man von Pfeilhöhe), jedoch nicht oder nur wenig durch die Strukturgröße (bei der hexagonalen Wölbstruktur der Schlüsselweite SW des Sechsecks), bestimmt wird. Ein analoger Zusammenhang (anstatt „angenähert” sogar „exakt”) ist beim bekannten Wellblech, mit beispielsweise einem sinusförmigen Verlauf (hier entspricht die Wellenhöhe der Strukturtiefe, und die Wellenlänge entspricht der Strukturgröße) und mit einer Symmetrieachse durch die sinusförmige Halbwelle hindurch, bekannt. Bei dem wölbstrukturierten oder 3d-wellenförmig strukturierten, ebenen Blechstreifen war dieser Zusammenhang nicht ohne weiteres zu erwarten gewesen wegen des asymmetrischen Aufbaus: erster Grund: die zick-zackförmigen Strukturfalten in Fertigungsrichtung (beim Strukturieren) sind etwas höher ausgebildet als die Strukturfalten quer zur Fertigungsrichtung; zweiter Grund: die Querschnitte des wölbstrukturierten und 3d-wellenförmig strukturierten, ebenen Blechstreifens sind nicht symmetrisch zu einer fiktiven Schwerpunktlinie aufgebaut. Analoges gilt für die gemäß DE 10 2010 034 076 B3 viel tiefer wölbförmig strukturierte und damit biegesteifere Materialbahn, die eher isotrop biegesteif ist. Dabei können die Falten bzw. Wülste durch Membran-Druckkräfte und Raffung während der Strukturbildung sogar eine etwas größere Wanddicke erhalten, während die tiefer ausgeformten Mulden bzw. Kalotten eine etwas geringere Wanddicke, bis zu etwa minus 10%, erhalten können. FEM-Simulationen haben gezeigt, dass im späteren Belastungsfall in der Regel die Kraftflüsse hauptsächlich durch die Bereiche der Falten bzw. Wülste gehen, so dass die – wenn auch geringe – örtliche Aufdickung vorteilhaft (im Gegensatz zu den traditionell geprägten oder streck-, tiefgezogenen Blechstrukturen mit einhergehender Ausdünnung der Wand) ist und die geringe Ausdünnung im Bereich der Mulden bzw. Kalotten sich vergleichsweise gering auf die Biegesteifigkeit auswirkt.
• Merkmal 2: Die Strukturtiefe lässt sich für die wölbstrukturierten und dreidimensional wellenförmigen Strukturen insbesondere aus geometrischen Gründen (elastisch dominierter „Plopp-Effekt” der zylindrisch gekrümmten Materialbahn) durch die gewählte Strukturgröße (ermittelbar durch Formel in Anspruch 21 in der EP 0888208 B1 ), aber auch durch eine weitere Steigerung des Strukturierungsdruckes (vorzugsweise mittels Druckwalze aus Gummi) etwas tiefer einstellen. Die Strukturtiefe lasst sich für die tiefen wölbförmigen Strukturen in Weiterentwicklung der DE 10 2010 034 076 B3 gemäß der Erfindung durch unterschiedliche Konturen der Stütz- bzw. Druckelemente und insbesondere einer variablen Anstellkraft individuell einstellen.
• Aus den Merkmalen 1 und 2 folgt, dass sich vorzugsweise mittels variabel einstellbarer Strukturtiefe in guter Näherung eine individuell einstellbare Biegesteifigkeit einer wölbstrukturierten oder wellenförmig strukturierten oder tief wölbförmig strukturierten, ebenen Materialbahn herstellen lässt. Das gilt sowohl in als auch quer zur Fertigungsrichtung beim Strukturieren, wobei die Strukturtiefen in Fertigungsrichtung etwas größer (gemessen als Differenz zwischen den zick-zackförmigen Falten bzw. Wülsten und den Mulden bzw. Kalotten) sind als die Strukturtiefen quer zur Fertigungsrichtung (gemessen als Differenz zwischen den Quer-Falten bzw. -Wülsten und den Mulden bzw. Kalotten) der Materialbahn.
• Das Merkmal 3 betrifft die, durch das mehrdimensionale Strukturieren hervorgerufene, erhöhte Dehnelastizität (bei Zug- oder Druckbelastung in Normal- bzw. Membranrichtung) der Materialbahn sowohl in als auch quer zur Fertigungsrichtung der strukturierten Materialbahn. Bei dem bekannten Wellblech (siehe 7) ist aus der analytischen Berechnung der Mechanik bekannt, dass der Wert der Dehnelastizität des Wellblechs in Wellenrichtung (x) im Vergleich zum Glattblech gleicher Dicke exakt gleich dem Wert der Biegesteifigkeit des Wellblechs in der Querrichtung (y) im Vergleich zum Glattblech gleicher Dicke ist (Lit.: L. E. Andrejewa, Berechnung elastischer Elemente im Maschinen- und Gerätebau, Moskau, 1980, russ.). Beim Wellblech lässt sich das anschaulich dadurch erklären, dass, bei Zugbelastung entlang der Wellenkontur in x-Richtung insbesondere durch angreifende Momente (aus aufgeprägter, konstanter Zugkraft F multipliziert mit dem Höhenabstand z der örtlichen Wellenkontur, siehe 8) das Wellblech quasi etwas aufgebogen und dadurch länger wird. In der Querrichtung y bewirkt die Wellenkontur ein vergrößertes Flächenträgheitsmoment, hervorgerufen durch den Höhenabstand z der örtlichen Wellenkontur (siehe 9), wodurch die Biegesteifigkeit im Vergleich zur glatten Materialbahn gleicher Dicke erhöht wird. Diese vereinfachte Deutung gilt exakt für flache Wellen. Es wurde gemäß der Erfindung gefunden, dass diese Gesetzmäßigkeit analog auch angenähert für die wölbstrukturierten, 3d-wellenförmig strukturierten oder tief wölbförmig strukturierten ebenen Blechstreifen gültig sind, ferner sogar quasi verkoppelt in beiden Richtungen der Strukturierung („kreuzweise”, d. h. in Strukturierungsrichtung und quer zur Strukturierungsrichtung der Materialbahn). Dieses Ergebnis ist überraschend und war nicht zu erwarten gewesen. Bei wölbstrukturierten und 3d-wellenförmig strukturierten, ebenen Blechstreifen sind die Vorgänge viel unübersichtlicher und deutlich komplexer als beim orthotropen Wellblech. Denn erstens hat ein wölbstrukturierter oder 3d-wellenförmig strukturierter, ebener Blechstreifen im Falle eines Hexagons keine 90°- sondern eine 60°-Symmetrie (somit asymmetrisch zur 90°-Symmetrie des Blechstreifens). Zweites ist die Kontur (Querschnitt) des wölbstrukturierten und 3d-wellenförmig strukturierten, ebenen Blechstreifens asymmetrisch aufgebaut (die Radien der Strukturfalten bzw. -wülste sind deutlich kleiner als die Radien der Strukturmulden bzw. -kalotten). Analoges gilt auch für die tiefer wölbförmig strukturierten Bleche (aus der DE 10 2010 034 076 B3 ). Bei strukturierten Materialien ist es üblich, die Dehnelastizität bei Zugbelastung durch einen Ersatz-Elastizitätsmodul E^m gegenüber dem Elastizitätsmodul E des glatten Blechstreifens gleicher Dicke und analog dazu die Biegesteifigkeit durch einen Ersatz-Elastizitätsmodul E^b gegenüber dem Elastizitätsmodul E des glatten Blechstreifens gleicher Dicke zu charakterisieren (siehe 8 und 9). Damit lässt sich das 3. Merkmal mit Worten und mittels Formel beschreiben: Das Steifigkeitsverhältnis bei Biegung der strukturierten Materialbahn zur glatten Materialbahn in der einen Richtung entspricht dem reziproken Wert des Steifigkeitsverhältnisses bei Dehnung der strukturierten Materialbahn zur glatten Materialbahn in der Richtung quer dazu. Mathematisch kann diese Relation von Steifigkeitsverhältnis bei Biegung in der einen Richtung der Materialbahn zum Steifigkeitsverhältnis bei Dehnung in der zugehörigen Querrichtung mit dem Faktor C = 1 (quasi ein „Güte-Faktor” C) beschrieben werden. Durch eigene experimentelle Untersuchungen wurde aufgezeigt, dass diese Beziehung angenähert sogar „kreuzweise” für jeweils beide Richtungen der „idealen” wölbstrukturierten oder 3d-wellenförmig strukturierten (gemeint ist eine quasi isometrische 3d-Strukturierung, bei der die ursprüngliche Fläche durch das Strukturieren nicht oder nur ganz wenig verändert wird), ebenen Materialbahn gilt. In diesem Fall wird offensichtlich die höchste Biegesteifigkeit, bezogen auf das Flächenträgheitsmoment (abhängig von der Strukturtiefe), bei vergleichsweise geringster Dehnelastizität im Gegensatz zu mechanisch geprägten Strukturen mit gleicher Strukturtiefe von Noppen, Höckern oder hexagonal geprägten oder tief- bzw. streck-gezogenen Strukturen erreicht (siehe beispielhaft 10). Das gilt insbesondere dann, wenn die wölbstrukturierte oder 3d-wellenförmig strukturierte, ebene Materialbahn aus der „idealen” isometrischen Strukturierung des Wölbstrukturierens oder 3d-wellenförmigen Strukturierens nach dem reinen Plopp-Effekt (d. h. ohne zusätzlich tieferes Ausformen der Strukturen durch Erhöhung des Drucks, wie mittels der elastischen Druckwalze) gebildet werden, wobei das Verhältnis von Strukturtiefe und Wanddicke vorzugsweise etwa den Wert 2 bis 4 aufweist. Damit hat der „Güte-Faktor” C hierbei lediglich angenähert den Wert C ≈ 1, wie Experimente gezeigt haben (Beispiel in 10, Messpunkte links). Für den Fall, dass beim Wölbstrukturieren oder beim 3d-wellenförmigen Strukturierten etwas tiefere Strukturen (durch Erhöhung des Druckes, wie mittels der elastischen Druckwalze) erzeugt werden, kann das Steifigkeitsverhältnis von Biegesteifigkeit in der einen Richtung und Dehnelastizität in der Richtung quer dazu, etwas niedriger ausfallen. Der „Güte-Faktor” C lässt sich nach dem Verfahren gemäß der Erfindung für wölbstrukturierte oder 3d-wellenförmig strukturierte Materialbahnen einstellen, wobei der Wert C = 0,4 bis 1,0, vorzugsweise 0,6 bis 0,9, bei einem Verhältnis von Strukturtiefe zur Wanddicke, wie Blechstärke, mit dem Wert 1 bis 9, vorzugsweise 2 bis 7 gebildet werden kann. Der „Güte-Faktor” C kann zwar bei den tiefen wölbförmigen Strukturen geringer ausfallen als beim „idealen” Wölbstrukturieren oder 3d-wellenförmigen Strukturieren (mittels reinem Plopp-Effekt), jedoch sind aufgrund der größeren Strukturtiefen deutlich größere Biegesteifigkeiten einzustellen, die bei zahlreichen Anwendungen mit dominierender Biegeanforderung und geringer Anforderung an die Dehnelastizität zur Geltung kommen können. Bei der gemäß DE 10 2010 034 076 B3 tiefer wölbförmig strukturierten Materialbahn, die deutlich höher und eher isotrop biegesteif ist, wird mehr als die doppelte Biegesteifigkeit erreicht, und der „Güte-Faktor” C kann mit dem Wert 0,2 bis 0,9, vorzugsweise 0,3 bis 0,8, bei einem Verhältnis von Strukturtiefe zur Wanddicke mit dem Wert 3 bis 20, vorzugsweise 8 bis 12 nach dem Verfahren gemäß der Erfindung eingestellt werden.
• Im Gegensatz dazu haben experimentelle Untersuchungen der Biegesteifigkeiten und der Dehn-Elastizitäten (letztere ebenfalls im Zugversuch gemessen) an einem Beispiel eines konventionell geprägten bzw. streck-/tiefgezogenen Blechstreifens mit einer hexagonalen Wabenkontur gezeigt, dass bei einem Verhältnis von Strukturtiefe zu Wanddicke mit dem Wert 6 bis 7 vergleichsweise deutlich geringere Biegesteifigkeiten und ein deutlich geringerer „Güte-Faktor” C, kleiner als etwa 0,3, erreicht wird. Der „Güte-Faktor” C kleiner etwa 0,3 fällt sogar noch geringer aus als bei den gemäß der DE 10 2010 034 076 B3 noch viel tiefer wölbförmig strukturierten und zugleich deutlich biegesteiferen Materialbahn mit ihrem „Güte-Faktor” C = 0,3 bis 0,9 vorzugsweise 0,4 bis 0,9.
• Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung lassen sich die Radien der Konturen der Stützelemente für das Wölbstrukturieren und das dreidimensional wellenförmige Strukturieren und ferner die Radien sowohl der Stützelemente als auch der Druckelemente für das tief wölbförmige Strukturieren variieren. Das eröffnet den Spielraum für das Herstellungsverfahren zur Gestaltung von weiteren dreidimensionalen, vorzugsweise hexagonalen 3d-Strukturen und ihren Anwendungen für Bauteile (siehe hierzu auch 4). Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung lassen sich die Druckelemente in einem integrierten Prozess mit variabler Höhe ausführen, damit in Laufrichtung der Materialbahn (siehe hierzu auch 1) oder auch quer zur Laufrichtung der Materialbahn (in den Figuren nicht explizit dargestellt) vorteilhafte individuelle, belastungsgerechte Relationen von Biegesteifigkeit und Dehnelastizität für Bauteile vorzugsweise in einem kontinuierlichen Herstellungsverfahren geschaffen werden können (siehe auch ein Beispiel in 13). Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung lassen sich tief wölbförmig strukturierte, wölbstrukturierte und 3d-wellenförmig strukturierte Materialbahnen mit variablen Strukturhöhen in Laufrichtung der Materialbahn herstellen, indem die Zustellkraft beim Strukturieren variabel eingestellt wird (siehe hierzu auch 2 und 14).
• Zusammenfassend können durch die Kombination all dieser Merkmale vorteilhaft in einem weiten Bereich definiert einstellbare, hohe Biegesteifigkeiten in wölbstrukturierten oder in 3d-wellenförmig strukturierten sowie in tief wölbförmig strukturierten Bändern oder Platinen aus Werkstoffen verschiedenster Art mit den dazu gehörenden vergleichsweise geringen (d. h. nur vergleichsweise wenig abgeminderten) Dehnelastizitäten, jeweils in Fertigungsrichtung der Strukturierung und quer dazu, erzeugt werden. Das kann vorteilhaft für zahlreiche Anwendungen im effektiven Leichtbau, insbesondere bei überlagerter (wie Biege-, Zug- und Druckkräfte) und mehrachsiger (in mehreren Richtungen) betrieblichen Lastfällen sein. Ferner kann das Fertigbauteil noch hohe Plastifizierungsreserven, für sekundäre Umformungen sowie für eine hohe Dauerschwingfestigkeit aufweisen. Schließlich sind eine Auslegung und Grob-Konstruktion vergleichsweise einfach und übersichtlich, aufgrund der oben genannten – wenn auch angenäherten – Gesetzmäßigkeiten. Als Basis benötigt man die einfach zu messenden oder nach der FE-Methode zu berechnenden Ersatz-Elastizitätsmodulen aus dem Zugversuch und der Strukturtiefe, jeweils in und quer zur Fertigungsrichtung des Strukturierens, einschließlich des Richtens (nähere Erläuterungen siehe 7, 8, 9, 10).
• Nach einem weiteren Aspekt wird eine gemäß dem Verfahren nach der Erfindung hergestellte schwach zylindrisch konvex gekrümmte, tief wölbförmig 3d-strukturierte Platine aus Blech mit deutlich verbesserter Steifigkeit und deutlich verringerter Neigung zum unerwünschten Durchschlagen, sogar bei asymmetrischer (nicht mittiger) Belastung beschrieben. Die Eigenschaften und einige Begründungen für das vorteilhafte Verhalten werden in den 11 und 12 erläutert.
• Die Erfindung wird anschließend beispielhaft anhand von Figuren erläutert:
• 1 zeigt den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung einer tief wölbförmig strukturierten Materialbahn 2 mit unterschiedlichen Strukturtiefen der Mulden bzw. Kalotten 10 und 10a in ihrer Laufrichtung, wobei die konvex gerundeten Druckelemente 3 und 3a einer Druckelementwalze 4 eine glatte Materialbahn 1 gegen die Stützelemente 5 und 6 (Stützelemente 6 in 1 nur als Sichtkante erkennbar) einer Stützelementwalze 7 drücken. Damit sich die strukturierte Materialbahn 2 nicht von selbst eng an die Stützelementwalze 7 anschmiegt (bei F₁ = 0), wird die Materialbahn 2 bereits während des Strukturieren durch die äußere Kraft F₂ > 0 von der Stützelementwalze 7 weg in eine näherungsweise gerade Gestalt gebogen. Diese äußere Kraft F₂ > 0 und die dadurch erzeugte Hebelwirkung hat eine besondere Bedeutung für den Prozess zwecks Schonung des Bahnwerkstoffes im Bereich der gebildeten Wülste oder Falten einerseits und zur Ausbildung von vorzugsweise tief eingebrachten Strukturen andererseits. Für die Bildung der Wülste sind die Stützelemente 5, 6 mit sanft gerundeten Konturen ausgestattet, während für die Bildung der Falten die Stützelemente 5, 6 mit eng gerundeten Konturen ausgestattet sind. Während des Rotierens der beiden Walzen 4 und 7 kann sich die mit bewegte Materialbahn 1 in ihrer Laufrichtung raffen. Das Raffen der Materialbahn 2 ist unterschiedlich, und dabei im Bereich der tiefen Mulden bzw. Kalotten 10 etwas größer als im Bereich der weniger tiefen Mulden bzw. Kalotten 10a. Das wirkt sich aber nicht nachteilig auf eine verzugsfreie Gestalt der unterschiedlich tief wölbförmig strukturierten Materialbahn 2 aus, da im Sinne einer „Reihenschaltung” die Raffung in Längsrichtung der Materialbahn 2 vergleichsweise groß, etwa 2 bis 4%, und die Raffung in Querrichtung der Materialbahn 2 vergleichsweise gering, etwa 1% ist. Ein Stützelement 5 drückt infolge der Hebelwirkung der angreifenden Kräfte F₂, F₃, F₄ am Ort der angreifenden Kraft F₄ in die Materialbahn 1 ein, und so wird eine Falte 8 quer zur Laufrichtung der Materialbahn schon früh erzeugt und dann etwas später in der tiefsten Position des Stützelementes 5 weiter vorzugsweise tief ausgeformt. Nach der Erfindung kann auch der Aufbau einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung einer tief wölbförmig strukturierten Materialbahn 2 mit unterschiedlichen Strukturtiefen der Mulden bzw. Kalotten 10 und 10a quer zur ihrer Laufrichtung realisiert werden, wobei die konvex gerundeten, unterschiedlich hohen Druckelemente 3 und 3a einer Druckelementwalze 4 eine glatte Materialbahn 1 gegen die Stützelemente 5 und 6 einer Stützelementwalze 7 drücken. Auf eine explizite Darstellung wurde vereinfachend in 1 verzichtet. Da nun die Raffungen infolge der unterschiedlichen Strukturtiefen einerseits und infolge der oben beschriebenen asymmetrischen Raffungen in und quer zur Laufrichtung der Materialbahn andererseits komplexer ausfallen können, kann ggf. ein nachträgliches Kalibrieren bzw. Nachrichten der strukturierten Materialbahn 2 in die Planlage erforderlich sein. Experimentelle Untersuchungen haben jedoch ergeben, dass dieser Einfluss eines denkbaren Verzuges bei dem Verfahren zum tief wölbförmigen Strukturieren gering ausfallen kann und ggf. in der Praxis zu vernachlässigen ist, da die Materialbahn 2 während des Strukturierens durch die Stützelementwalze 7 und die Stützelemente 5, 6 und durch die Druckwalze 4 mit ihren Druckelementen 3, 3a insgesamt gut geführt und fixiert wird. Eine gemäß der Vorrichtung in 1 hergestellte Materialbahn 2 mit unterschiedlichen Strukturtiefen lässt sich für eine belastungsgerechte Bauteilauslegung unter Berücksichtigung der individuellen Biegesteifigkeiten und der individuellen Membran-Dehnelastizitäten oder Membran-Druckelastizitäten (quasi Stauchelastizität), wie später in 13 beispielhaft an einem einfachen Beispiel gezeigt wird, vorteilhaft anwenden.
• 2 zeigt analog zu 1 den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung einer tief wölbförmig strukturierten Materialbahn, wobei die Materialbahn 2 abschnittweise zunächst vergleichsweise tiefe Mulden bzw. Kalotten 10 und dann weniger tiefe Mulden bzw. Kalotten 10b auf eine andere Weise erhält als in 1. Die Druckelementwalze 4 mit ihren Druckelementen, wobei sämtliche auf dem Umfang der Druckelementwalze 4 angeordneten Druckelementen 3 dieselbe Höhe besitzen, drückt mit abschnittweise veränderlicher Anstellkraft F₃ gegen die Materialbahn 1 und gegen die Stützelemente 5, 6 auf der Stützelementwalze 7. Das hat gegenüber dem Verfahren gemäß 1 den Vorteil, dass abschnittweise die tieferen Mulden bzw. Kalotten 10 und die weniger tiefen Mulden bzw. Kalotten 10b individuell und damit unabhängig vom Umfang der Druckelementwalze 4 und den rapportartig angeordneten unterschiedlichen Druckelemente 3 und 3a in die Materialbahn eingebracht werden können. Jedoch ist für das Verfahren gemäß 2 eine Steuerung bzw. Regelung für die abschnittweise einstellbare Anstellkraft F₃ erforderlich. Eine gemäß der Vorrichtung in 2 hergestellte Materialbahn 2 mit unterschiedlichen Strukturtiefen lässt sich für eine belastungsgerechte Bauteilauslegung unter Berücksichtigung der individuellen Biegesteifigkeiten und der individuellen Membran-Dehnelastizitäten oder Membran-Druckelastizitäten (Stauchelastizitäten), wie später in 13 beispielhaft an einem einfachen Beispiel gezeigt wird, vorteilhaft anwenden.
• 3 zeigt analog zu 1 und 2 den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung einer tief wölbförmig strukturierten Materialbahn, wobei die Materialbahn 2 einheitliche, tiefe Mulden bzw. Kalotten 10 (linkes Bild in 3) oder einheitliche, weniger tiefe Mulden bzw. Kalotten 10c (rechtes Bild in 3) aufweist. Das gelingt auf vergleichsweise einfache Weise, indem zur Bildung der tiefen Mulden bzw. Kalotten 10 (linkes Bild in 3) eine größere konstante Anstellkraft F₃ und zur Bildung der weniger tiefen Mulden bzw. Kalotten 10c (rechtes Bild in 3) eine kleinere, konstante Anstellkraft F₃ gegen die Materialbahn 1 gegen die Stützelemente 5, 6 auf der Stützelementwalze 7 drückt. Eine gemäß der Vorrichtung in 3 hergestellte Materialbahn 2 mit einheitlichen, jedoch definiert einstellbaren Strukturtiefen der Mulden bzw. Kalotten kann in zahlreichen praktischen Beispielen zur Anwendung kommen, wobei im Falle von überlagerten Belastungen, wie Biegung und Zug oder Biegung und Druck (siehe auch Beispiel in 12) eine vorteilhafte Kombination aus verbesserten Biegesteifigkeiten und damit einhergehenden individuellen Membran-Dehnelastizitäten oder Membran-Druckelastizitäten eine vorteilhafte Bauteilkonstruktion erreicht werden kann.
• 4 zeigt analog zu 3 den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von zwei tief wölbförmig strukturierten Materialbahnen, wobei die Strukturen jeweils einheitliche Strukturtiefen in Laufrichtung der Materialbahn 2 aufweisen. In 4 links sind die Konturen der Stützelemente 5a, 6a im Querschnitt mit vergleichsweise größeren Radien versehen. Dadurch bilden sich sanfter gerundete Strukturfalten bzw. -wülste (8a und 9a) aus. In 4 rechts sind die Konturen der Druckelemente 3b im Querschnitt mit vergleichsweise größeren Radien versehen. Dadurch bilden sich sanfter gerundete Strukturmulden bzw. -kalotten (10d) aus.
• 5 zeigt auf der linken Seite schematisch die Draufsicht auf eine gemäß 3 und 4 hexagonal strukturierte Materialbahn 2 mit den Wülsten oder Falten 8 quer zur Richtung der Materialbahn 2, den zick-zackförmigen Wülsten oder Falten 9 in Richtung der Materialbahn 2 und den Kalotten oder Mulden 10. Auf der rechten Seite der 5 ist die hexagonal strukturierte Materialbahn 2 in der Draufsicht während einer Zugbelastung durch die Zugkräfte F dargestellt. Die hexagonal strukturierte Materialbahn erfährt hierdurch eine Streckung um den Betrag ΔL.
• 6 zeigt auf der linken Seite schematisch die Draufsicht auf eine gemäß 3 und 4 hexagonal strukturierte Materialbahn 2 mit den Wülsten oder Falten 8 quer zur Richtung der Materialbahn 2, den zick-zackförmigen Wülsten oder Falten 9 in Richtung der Materialbahn 2 und den Kalotten oder Mulden 10. Auf der rechten Seite der 6 ist die hexagonal strukturierte Materialbahn 2 in der Draufsicht während einer Stauchbelastung durch die Stauchkräfte F dargestellt. Die hexagonal strukturierte Materialbahn erfährt hierdurch eine Stauchung um den Betrag ΔL.
• 7 zeigt schematisch ein Wellblech 12 und die glatte Ersatzplatte 13 gleicher Dicke h. Mit Hilfe der 7 bis 9 soll bezugnehmend auch auf die bereits genannte Veröffentlichung (Lit.: L. E. Andrejewa, Berechnung elastischer Elemente im Maschinen- und Gerätebau, Moskau, 1980, russ.) der Zusammenhang der Mechanik für das Wellblech hinsichtlich des Verhältnisses von Biegesteifigkeit in der einen Richtung (y) und Dehnelastizität in der Querrichtung (x) etwas näher erläutert werden. Die Berechnung einer gewellten Platte wird auf die Berechnung der entsprechenden, bzgl. ihrer elastischen Eigenschaften äquivalenten ebenen orthotropen Ersatzplatte zurückgeführt.
• 8 zeigt schematisch den sinusförmigen Querschnitt 14 durch das Wellblech 12 sowie die von außen angreifende Zugkraft F in x-Richtung, und die innere Kraft N = F·cosΘ und das Moment M = F·z. Mit den zusätzlich angreifenden Werten für Einheitskraft/Einheitsmoment M = 1·z ergibt sich nach dem Mohrschen Energiesatz der Ersatz-Emodul der glatten Ersatzplatte in x-Richtung bei Zug-Membranbeanspruchung E_x ^m = E/k_x ^m durch den E-Modul des Wellblechwerkstoffs dividiert durch den Steifigkeitskoeffizienten in x-Richtung bei Zug-Membranbeanspruchung (k_x ^m).
• 
• 9 zeigt schematisch den sinusförmigen Querschnitt 14 durch das Wellblech 12 sowie die wirksamen Momente M. Die mathematische Beschreibung für den Ersatz-Elastizitätsmodul E_y ^b bei einer Biegebelastung (deshalb der Index b für E) in y-Richtung, die zu einer größeren Biegesteifigkeit des Wellblechs im Vergleich zum Glattblech führt, lautet: Mit dem zusätzlich angreifenden Einheitsmoment ergibt sich nach dem Mohrschen Energiesatz der Ersatz-Emodul der glatten Ersatzplatte in y-Richtung bei Biegebeanspruchung E_y ^b = k_y ^b·E durch den E-Modul des Wellblechwerkstoffs multipliziert mit dem Steifigkeitskoeffizienten in y-Richtung bei Biegebeanspruchung (k_y ^b)

  
• Für das Wellblech ergibt sich daraus der gleiche Betrag der Steifigkeitsverhältnisse: k_y ^b = k_x ^m.
• 10 zeigt in einem Diagramm beispielhaft aus Experimenten den Zusammenhang von dem Steifigkeitsfaktor, d. h. dem Steifigkeitsverhältnis bei Biegung von wölb-, 3d-wellenförmig und tief-wölbförmig strukturierten Blechplatinen sowie mechanisch hexagonal geprägten Blechplatinen zu den glatten Blechplatinen, bei jeweils gleicher Blechstärke h, in Abhängigkeit von dem Verhältnis von Strukturtiefe zur Blechstärke h. In dem rechten Term der Gleichung der Ordinatenachse (C·E_glatt/E_{strukt., quer}) bezieht sich der Term E_{strukt., quer} auf den Ersatz-Emodul, der vorzugsweise durch einen Zugversuch an einem strukturierten Blechstreifen in Querrichtung der Blechprobe bestimmt wird. Aus dem ermittelten Steifigkeitsfaktor bei Biegung und dem Quotienten E_glatt/E_{strukt., quer} wird der Gütefaktor C bestimmt. Diese Beziehung gilt jeweils „kreuzweise” jeweils in beiden Richtungskombinationen der Materialbahn, so dass sich jeweils zwei C Werte zu einer strukturierten Materialbahn ergeben: C_längs beschreibt den Fall der Materialbahn in Fertigungsrichtung (d. h. in Richtung der zick-zackförmigen Falten bzw. Wülste, entsprechend 9 in 5); C_quer beschreibt den Fall der Materialbahn quer zur Fertigungsrichtung (entsprechend 8 in 5); Die „ideal” hergestellte Wölbstruktur 15 weist den höchsten Wert C = 1 auf; sie ist jedoch in und quer zur Fertigungsrichtung der Strukturierung unterschiedlich biegesteif. Eine andere Wölbstruktur 16 hat den Wert C = 0,9 in Fertigungsrichtung und den Wert C = 0,64 quer dazu. Eine traditionell technisch geprägte bzw. streck- bzw. tiefgezogene hexagonale Wabenstruktur 17 weist die niedrigsten Werte C = 0,26, bzw. 0,24 auf und verhält sich in und quer zur Fertigungsrichtung der Strukturierung eher isotrop biegesteif. Die tiefe wölbförmige Struktur 18 besitzt die höchste allseitige Biegesteifigkeit bei den Werten C = 0,33 bzw. 0,51 auf. Die tiefe wölbförmige Struktur 18a mit nur etwas reduzierter Strukturtiefe im Vergleich zu 18 besitzt eine hohe allseitige Biegesteifigkeit und gleichzeitig vergleichsweise hohe Werte C = 0,8 bzw. 0,5.
• 11 zeigt schematisch den Durchschlag einer zylindrisch schwach konvex gekrümmten Blechplatine, seitlich fixiert (gelenkig gelagert), wie ein Dachelement, bei mittiger Belastung F₀ und bei zunehmend asymmetrischer Belastung F₁₀, F₂₀, F₃₀, wobei die Zahlen 10, 20, 30 die Prozentangaben der Position der Belastung, bezogen auf die Mitte 0, angeben. Das linke Diagramm gibt den Zustand vor der Belastung F (durchgezogene Linie) sowie den Endzustand nach dem vollständigen Durchschlag (gestrichelte Linie) an. Das rechte Diagramm zeigt den bekannten asymmetrischen Durchschlag (Zwischenzustand in oberer gestrichelten Linie) beim glatten Blech bei nicht mittiger Belastung F an, wobei eine geringere Belastung F und weniger Umformenergie für das Durchschlagen ausreicht als beim mittigen Durchschlagen (und deshalb der asymmetrische Durchschlag im praktischen Anwendungsfall eines konvex gekrümmten Dachelementes unerwünscht ist).
• 12 zeigt schematisch, in Anlehnung an 11, die für das Durchschlagen erforderliche Kraft (Belastung) F in Abhängigkeit vom Ort der Krafteinleitung (linker Wert: mittige Belastung; weitere Werte rechts: zunehmend asymmetrischer Versatz der Krafteinleitung) aus eigenen experimentellen Untersuchungen. Für die glatte Blechplatine (schwarz markiert) ergibt sich der bekannte, unerwünschte Abfall der Kraft F bei zunehmendem Versatz (Asymmetrie). Im Gegensatz dazu weist das tief wölbförmig strukturierte Blech bei Belastung in der Mitte eine etwa doppelte Kraft F und bei asymmetrischer Belastung sogar einen deutlichen Anstieg der Kraft F auf. Eine Erklärung hierfür ergibt sich offensichtlich erstens durch die drastisch verbesserte Biegesteifigkeit und zweitens durch den vergleichsweise (im Vergleich zu den traditionell geprägten bzw. streck-/tiefgezogenen Strukturen) hohen Werten C (siehe in 10).
• 13 zeigt schematisch den Querschnitt von beispielsweise tief wölbförmig strukturierten Materialbahn 2, die an ihren Enden gelenkig gelagert ist, wobei ein Auflager in horizontaler Richtung beweglich ist. Im oberen Teil der 13 ist die Materialbahn 2 mit flacheren Strukturen nahe der Auflager und mit tieferen Strukturen im Mittenbereich ausgestattet. Durch eine horizontale Stauchkraft F_h wird die Materialbahn 2 nach unten etwas durchgebogen, wobei infolge der tieferen Strukturen im Mittenbereich insgesamt eine hohe Biegesteifigkeit erzielt wird, während durch die flacheren Strukturen nahe der Auflager insgesamt die Verformung durch Stauchung ΔL₁ vergleichsweise gering ausfällt. Im unteren Teil der 13 ist die Materialbahn 2 mit einheitlich tieferen Strukturen ausgestattet. Durch eine horizontale Stauchkraft F_h wird die Materialbahn 2 vergleichsweise nur etwas weniger durchgebogen; dafür fällt die Verformung durch Stauchung ΔL₂ vergleichsweise höher aus.
• 14 zeigt analog zu 2 den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung einer wölbstrukturierten Materialbahn, wobei die Materialbahn 2 abschnittweise zunächst vergleichsweise tiefe Mulden bzw. Kalotten 10e und dann weniger tiefe Mulden bzw. Kalotten 10f aufweist. Die Druckelementwalze 4 ist mit einer elastomeren Schicht 3c umgeben und drückt mit abschnittweise veränderlicher Anstellkraft F₃ gegen die Materialbahn 1 und gegen die Stützelemente 5, 6 auf der Stützelementwalze 7. Eine gemäß der Vorrichtung in 14 hergestellte Materialbahn 2 mit unterschiedlichen Strukturtiefen 10e und 10f lässt sich für eine belastungsgerechte Bauteilauslegung unter Berücksichtigung der individuellen Biegesteifigkeiten und der individuellen Membran-Dehnelastizitäten oder Membran-Druckelastizitäten (Stauchelastizitäten) vorteilhaft anwenden.

Claims (12)

1. Verfahren zum Herstellen einer mehrdimensional strukturierten Materialbahn mit einer wellenförmigen oder wölbförmigen Strukturierung aus aneinander angeordneten Strukturen aus Wülsten oder Falten und von den Wülsten oder Falten eingeschlossenen Kalotten oder Mulden, wobei in oder schräg zur Laufbahnrichtung angeordnete Stützelemente sowie quer zur Laufbahnrichtung angeordnete Stützelemente partiell gegen die eine Seite der Materialbahn drücken und wobei angepasste Druckelemente gegen die andere Seite der Materialbahn drücken und die Kalotten oder Mulden ausformen, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckelemente variabel gegen die Materialbahn und die Stützelemente drücken, wobei die Zustellkraft beim Strukturieren variabel in Abhängigkeit vom Gütefaktor eingestellt wird und wobei der Gütefaktor bestimmt wird aus dem Steifigkeitsfaktor bei Biegung in der einen Richtung der strukturierten Materialbahn und dem Quotienten der Dehnelastizität bei Zug/Druck in Membranrichtung in der anderen Richtung der Materialbahn, wobei der Gütefaktor in einem Bereich von 0,2 bis 1,0 vorzugsweise von 0,3 bis 0,8, bei einem Verhältnis der Strukturtiefe zur Wanddicke von 1 bis 20, vorzugsweise von 8 bis 12, gebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei-durch eine biegende Umformung der Materialbahn (2) die Wülste oder Falten in Laufbahnrichtung (9) dadurch gebildet werden, dass die Materialbahn (2) nur partiell um die gekrümmten Stützelemente (6) gebogen wird, wobei die Materialbahn (2) durch eine äußere Belastung von den gekrümmten Stützelementen (6) weggebogen wird und so eine Hebelwirkung aufgebaut wird, wobei erstens ein partielles Umklappen in der Materialbahn (2) erzeugt wird, zweitens sich die Materialbahn (2) in Laufrichtung rafft, drittens die Materialbahn (2) gegen die quer zur Laufrichtung der Materialbahn (2) angeordneten Stützelemente (5) gedrückt wird und ausgeformte Wülste bzw. Falten (8) auch quer zur Laufbahnrichtung in der Materialbahn (2) gebildet werden und viertens tief ausgeformte Kalotten bzw. Mulden (10) gebildet werden, wobei die Wanddicke im Bereich der Wülste bzw. Falten 8, 9 unverändert bleibt, dadurch gekennzeichnet, dass der Gütefaktor in einem Bereich von 0,2 bis 0,9 vorzugsweise von 0,3 bis 0,8, bei einem Verhältnis der Strukturtiefe zur Wanddicke von 3 bis 20, vorzugsweise von 8 bis 12, gebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckelemente (3, 3a) mit unterschiedlichen Höhen in Umfangsrichtung der Druckelementwalze (4) ausgestattet sind, wobei in Laufrichtung der Materialbahn (2) abschnittweise tiefe Strukturmulden (10) bzw. -kalotten (10) und weniger tiefe Strukturmulden bzw. -kalotten (10a) gebildet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckelemente (3, 3a) mit unterschiedlichen Höhen in axialer Richtung der Druckelementwalze (4) ausgestattet sind, wobei quer zur Laufrichtung der Materialbahn (2) abschnittweise tiefe Strukturmulden bzw. -kalotten (10) und weniger tiefe Strukturmulden bzw. -kalotten (10a) gebildet werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckelemente (3) mit abschnittweise unterschiedlicher Anstellkraft F₃ gegen die Materialbahn (1) und gegen die Stützelemente (5, 6) gedrückt werden, wobei in der Materialbahn (2) abschnittweise tiefe Strukturmulden bzw. -kalotten (10) und weniger tiefe Strukturmulden bzw. -kalotten (10b) gebildet werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckelemente (3) mit jeweils einheitlicher Anstellkraft F₃ gegen die Materialbahn (1) und gegen die Stützelemente (5, 6) gedrückt werden, wobei in der Materialbahn (2) jeweils einheitliche, tiefe Strukturmulden bzw. -kalotten (10) oder jeweils einheitliche, weniger tiefe Strukturmulden bzw. -kalotten (10c) gebildet werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Druckelemente (3) mit engen Rundungen oder Druckelemente mit weiten Rundungen (3b) oder Stützelemente (5, 6) mit engen Rundungen oder Stützelemente (5a, 6a) mit weiten Rundungen gebildet werden.
8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialbahn aus beispielsweise Metall, Lochblech, Kunststoff, Verbundmaterialien aus Kunststoff- und Metall-Lagen gebildet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Materialbahn (2) auf ihrer Innenseite durch linienförmige, beabstandete Stützelemente (5, 6) abgestützt wird und auf ihrer Außenseite durch eine elastomere Schicht (3c) mit Druck beaufschlagt wird, wodurch die Materialbahn (2) örtlich zwischen den Stützelementen (5, 6) beulartig in die Gegenkrümmung umklappt und regelmäßige Falten oder Wülste (8, 9) und von diesen umgebenen Mulden (10e, 10f) gebildet werden, wobei die Strukturtiefe durch Drücken der Strukturwalze (7) mit ihren Stützelementen (5, 6) gegen die elastomere Schicht (3c) der Druckwalze (4) eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die elastomere Schicht (3c) variabel gegen die Materialbahn (2) und die Stützelemente (5, 6) drückt, wobei der Gütefaktor in einem Bereich von 0,4 bis 1,0 vorzugsweise von 0,6 bis 0,9, bei einem Verhältnis der Strukturtiefe zur Wanddicke von 1 bis 9, vorzugsweise von 2 bis 7, gebildet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elastomere Schicht (3c) mit abschnittweise unterschiedlicher Anstellkraft F₃ gegen die Materialbahn (1) und gegen die Stützelemente (5, 6) gedrückt wird, wobei in der Materialbahn (2) abschnittweise tiefe Strukturmulden bzw. -kalotten (10e) und weniger tiefe Strukturmulden bzw. -kalotten (10f) gebildet werden.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialbahn (2) aus beispielsweise Metall, Lochblech, Kunststoff, Verbundmaterialien aus Kunststoff- und Metall-Lagen, Faserverbundstoffen, wie faserverstärkten Kunststoffen, insbesondere mit Kohle- und Glasfasern verstärkten Kunststoffen, mit Naturfasern verstärkten Kunststoffen, wie biologisch abbaubare Kunststoffe, Fasergewebe, Maschengewebe oder Pappe, Papier gebildet wird.
12. Verwendung einer nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 hergestellten Materialbahn als zylindrisch konvex gekrümmtes, mehrdimensional versteiftes Dachelement, wobei der Durchschlag bei erhöhter mittiger oder außermittiger Belastung erfolgt, oder als komplex belastungsangepasstes Wandelement.

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