DE102014000083B4 - Verfahren zum Herstellen einer partiell dreidimensional wölbförmig strukturierten Materiaibahn, partiell dreidimensional wölbförmig strukturierte Materialbahn, Verwendung derselben und eine Vorrichtung zur Herstellung derselben - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer partiell dreidimensional wölbförmig strukturierten Materialbahn (2), mit aneinander angeordneten Strukturen, mit Wülsten oder Falten (8, 9) und von den Wülsten oder Falten eingeschlossenen Kalotten oder Mulden (10), wobei in Laufbahnrichtung oder schräg zur Laufbahnrichtung angeordnete, Stützelemente (6) der Stützelementenwalze (7), und quer zur Laufbahnrichtung angeordnete Stützelemente (5) der Stützelementenwalze (7) partiell gegen die eine Seite der Materialbahn drücken, und wobei konvex gerundete, angepasste Druckelemente (3), die versetzt zwischen den Stützelementen angeordnet sind, gegen die andere Seite der Materialbahn drücken, und wobei die Druckelemente Kalotten oder Mulden ausformen, wobei durch eine biegende Umformung der Materialbahn die Wülste oder Falten in Laufbahnrichtung dadurch gebildet werden, dass die Materialbahn (2) nur partiell um die gekrümmten Stützelemente (5, 6) gebogen wird, wobei die Materialbahn durch eine äußere Belastung (2) von den gekrümmten Stützelementen (5, 6) gebogen wird und so eine Hebelwirkung aufgebaut wird, dadurch gekennzeichnet, dass in Laufrichtung der Materialbahn Druckelemente (3) ausgespart werden, wodurch eine negative Normalspannung in den von den Druckelementen ausgesparten Bereichen der Materialbahn aufgebaut wird, wobei beim Wegbiegen der Materialbahn von den Stützelementen (5, 6) in den von den Druckelementen ausgesparten Bereichen der Materialbahn ein Umklappen erfolgt und partielle Falten gebildet werden, und wobei die angrenzenden, quer zur Laufrichtung der Materialbahn angeordneten Falten bzw. Wülste (8a) aufgebogen und senkrecht zur Materialbahn angehoben werden, wodurch quer zur Laufrichtung der Materialbahn eine durchgängige Höhenlinie (12, 8a) gebildet wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer partiell dreidimensional wölbförmig strukturierten, Materialbahn nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, eine partiell dreidimensional wölbförmig strukturierte Materialbahn, eine Verwendung der Materialbahn beispielsweise für einen Kanalwärmetauscher mit hoher Wärmeübertragung für saubere und verschmutzte Fluide und geringem Gewicht oder für einen Bioreaktor, auch aus Glas, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
• Infolge der zunehmenden Ressourcenverknappung werden Leichtbauprodukte in unterschiedlichen Bereichen benötigt, die möglichst auch in einem Ressourcen schonenden Herstellungsprozess gefertigt werden können. Wünschenswert sind insbesondere Leichtbauteile, bei denen nicht nur Werkstoffe, Gewicht und somit Montage- und Transportenergie eingespart werden können, sondern die auch vorteilhafte spezifische Gebrauchseigenschaften als Kundennutzen aufweisen können.
• Eine vorteilhafte Gebrauchseigenschaft wäre beispielsweise eine verbesserte Wärmeübertragung in verfahrenstechnischen Apparaten, wie in einem Rinnenwärmetauscher beispielsweise zur Wärmerückgewinnung aus kommunalem oder industriellem Abwasser, nachfolgend kurz Kanalwärmetauscher genannt, oder in einem Bioreaktor, auch aus dünnwandigem Glas. Ein Kanalwärmetauscher wird als Rinnenwärmetauscher im Solbereich eines Abwasserrohres integriert und setzt sich im Wesentlichen aus den folgenden Komponenten zusammen, die aus Korrosionsgründen in der Regel aus nicht rostendem Stahl (auch wegen der Wärmeleiteigenschaft) sowie aus Kunststoff gefertigt werden: Die Wärmeübertragerwand wird im Abwasserrohr (Kanal) im späteren Betrieb vom wärmeren Abwasser überströmt. Das kältere zirkulierende Wärmetauschermedium, meistens sauberes Wasser, fließt in einem Wärmetauscherkammerraum zwischen der Rückseite der Wärmeübertragerwand und einer weiteren Wärmetauscherwand, und nimmt die aus dem Abwasser übertragene Wärme auf. Im Falle eines Kanalwärmetauschers mit kommunalem Abwasser setzten sich organische Substanzen auf der Oberfläche der Wärmeübertragerwand ab und können eine zähflüssige Schicht bilden, die ein gutes Milieu für die Ansiedlung von Mikroorganismen aus dem Abwasser ergeben. Hierdurch entsteht mit der Zeit eine unerwünschte Sielhaut durch Biofouling, die eine Reduzierung der Wärmeübertragungsleistung bis zu 50% nach sich ziehen kann.
• Hierbei bestehen die Herausforderungen in einem verringerten Materialeinsatz mit Hilfe einer dünnen und dennoch stabilen Wärmeübertragerwand sowie durch eine reduzierte Baugröße infolge verbesserter Wärmeübertragung insbesondere bei verschmutzten Fluiden, wie Abwasser, in einem Kanalwärmetauscher oder beispielsweise bei einer Algenzüchtung in einem Bioreaktor.
• Die besondere Herausforderung besteht nun in der Überwindung eines Konfliktes zwischen der Erfüllung von zwei ganz unterschiedlichen Anforderungsbereichen, wobei beide in Abstimmung miteinander zu erfüllen sind. Der erste Anforderungsbereich besteht darin, eine verbesserte funktionelle Wärmeübertragerwand zu finden, welche die örtliche Wärmeübertragung einschließlich des Fouling betrifft. Der zweite offensichtlich noch schwierigere Anforderungsbereich besteht darin, eine passende Umformtechnik zu entwickeln und bereitzustellen, mit der es gelingt, die maßgebliche funktionelle Wand, wie die Wärmeübertragerwand beispielsweise eines Kanalwärmetauschers oder Bioreaktors konstruktiv und fertigungstechnisch in das Gesamtsystem zu integrieren, ohne die geschaffenen funktionellen Eigenschaften zu beeinträchtigen. Im Falle beispielsweise eines Kanalwärmetauschers oder Bioreaktors werden Abstand gebende Komponenten, wie zu fügende Stege oder Sicken benötigt, welche eine definierte Spaltdicke des Wärmetauscherkammerraumes zwischen der Rückseite der Wärmeübertragerwand und der weiteren Wärmetauscherwand bilden und ferner auch eine vorteilhafte mäanderförmige Stromführung des Wärmeträgermediums ermöglichen. Hierbei sind die konstruktiven und fertigungstechnischen Voraussetzungen für ein einfaches dichtes Verbinden/Fügen der einzelnen Komponenten miteinander zu schaffen. Das Verbinden/Fügen ist dicht auszuführen, um Leckströmungen nach außen generell auszuschließen und innere Leckströmungen (gemeint ist ein „Kurzschluss” des Wärmeträgermediums in der Mäanderführung) ebenfalls auszuschließen oder zumindest gering zu halten, damit die integrale Wärmeübertragungsleistung hoch ist. Auf die einzelnen strömungs- und wärmetechnischen Aspekte wird später noch näher eingegangen. Im Falle beispielsweise eines Bioreaktors aus Glas sind darüber hinaus noch weitere Herausforderungen zu bewältigen: Das Biofouling ist auf der gekühlten bzw. beheizten Glaswand soweit wie möglich einzuschränken, damit erstens ein großer Wärmedurchgang aufrechterhalten wird, zweitens während der Betriebszeit in den Bioreaktor zwecks Kontrolle optisch eingesehen werden kann und drittens im Falle einer photosynthetischen Reaktion (beispielsweise bei der Algenzüchtung) die dafür bereitgestellte Lichtenergie möglichst ungehindert von außen in den Bioreaktor eingeleitet werden kann. Diese ganz unterschiedlichen Anforderungen sind gleichzeitig nur schwierig zu erfüllen, da sie sich im Einzelnen häufig widersprechen.
• Hinsichtlich des ersten Anforderungsbereiches werden beispielhaft konventionell eingeprägte Strukturen verwendet, um die Wärmeübertragung zu verbessern, indem eine deutliche Erhöhung der wandnahen Strömungsgeschwindigkeit (mit dem Ziel einer verringerten Dicke der Strömungsgrenzschicht) geschaffen wird sowie die Scherkraft zur Verringerung von Feststoffablagerung/Fouling erhöht wird. Jedoch soll eine solche Strukturierung an einem Ort des Wärmetauschers nicht dazu führen, dass gleichzeitig an einem anderen Ort des Wärmetauschers unerwünschte Totwasserzonen (durch Ablösen der Strömungsgrenzschicht von der Wand) mit der Gefahr von zunehmendem Fouling und ferner ein deutlich erhöhter Strömungsdruckverlust (würde eine höhere Pumpleistung bzw. größeres Kanalgefälle erfordern) verursacht werden. Dabei ist dafür Sorge zu tragen, dass der Umformprozess für die Herstellung der strukturierten Wärmeübertragerwand nicht eine Beeinträchtigung einer einwandfrei glatten Oberflächengüte der Wärmeübertragerwand nach sich zieht, da eine Mikrorauhigkeit der Oberfläche zu einem vermehrten Fouling führt (VDI-Wärmeatlas, 9. Auflage 2002, Abschnitt Od 11: Verschmutzung von Wärmeübertragerflächen, Kapitel 3.4: Ungefähre Abhängigkeit des Foulingwiderstandes von den Betriebsbedingungen). Das Problem besteht insbesondere darin, vorzugsweise tiefe Strukturen/Topologie für die Wärmeübertragerwand zu finden und herzustellen, bei deren Überströmung hohe wandnahe Strömungsgeschwindigkeiten erzeugt werden, die möglichst vollflächig auf der Wärmeübertragerwand angeordnet werden können, die zu vergleichsweise geringer Totwasserbildung führen, die eine einwandfrei glatte Oberflächengüte aufweisen, und mit denen eine gewünschte Mäanderführung des Wärmetauschermediums zu realisieren ist.
• Für eine wirtschaftliche Realisierung beispielsweise eines Kanalwärmetauschers würde das offensichtlich nur mit Hilfe von einfach dicht zu fügenden Teilflächen in einer möglichst vollflächig tief strukturierten Wärmeübertragerwand möglich sein. Somit besteht der zweite Anforderungsbereich insbesondere darin, ebene Teilflächen (für ein späteres einfaches Verbinden der Komponenten des Wärmetauschers miteinander, inkl. der Abstand gebenden Elemente) in die Wärmeübertragerwand einzubringen, ohne unerwünschte Instabilitäten und Verzüge des Bauteils beim Herstellungsprozess zu schaffen und ohne die einwandfrei glatte Oberflächengüte zu beeinträchtigen.
• Ferner besteht ein Problem darin, herauszufinden, ob mit einer weiterentwickelten Strukturierungs- bzw. Umformtechnik eine vorteilhafte Topologie in der Wand eines Bioreaktors aus Glas auf möglichst einfachem, d. h. direktem Wege zu schaffen ist. Denn ein Entwicklungsweg über zahlreiche empirische Versuche nach dem Trial- und Error-Verfahren, wo beispielsweise mit Hilfe von Blasformwerkzeugen, in die vorher eine zunächst willkürlich gewählte Topologie für die spätere Wand eines Bioreaktors eingearbeitet wird, erscheint mühsam und teuer.
• Stand der Technik
• Mit Hilfe von dreidimensional strukturierten Halbzeugen, wie aus Blech, bietet sich zwar prinzipiell die Möglichkeit an, einige der oben genannten Anforderungen zu erfüllen. Aber insbesondere bei der Umformtechnik bzw. sekundären Weiterverarbeitung zur Herstellung von dreidimensional strukturierten Wandelementen mit einer dichten Fügbarkeit (beispielsweise einer dreidimensional strukturierten Wärmeübertragerwand mit den anderen Elementen eines Kanalwärmetauschers mit mäanderförmigen, d. h. umgelenkten, Stromführungen) stößt man unmittelbar auf erhebliche Schwierigkeiten. Zu den prinzipiellen Vorteilen von dreidimensionalen Wandstrukturen zählt, dass sie, aufgrund des erhöhten Flächenträgkeitsmomentes in mehreren Richtungen der dünnen Wand, das Bauteil gegenüber Biegung und Beulung mehrdimensional versteifen, so dass man beispielsweise die Wärmeübertragerwand dünner ausführen kann. Zu den prinzipiellen Vorteilen zählt ferner, dass man mit Hilfe von dreidimensional strukturierten Wandoberflächen die Strömungsturbulenzen zur Steigerung des konvektiven Wärmeübergangs intensivieren kann, was dem Fachmann ebenfalls seit langem bekannt ist. Drittens kann im Falle der bereits bekannten beul- bzw. wölbstrukturierten Halbzeuge mit ihrer dreidimensionalen Oberflächentopologie eine absolut glatte Oberflächenqualität des Ausgangsmaterials (wie kalt gewalztes Edelstahlfeinblech) aufrechterhalten werden, da diese dreidimensionalen Strukturen auf extrem Werkstoff-, Oberflächen- und Energie schonende Weise in das dünnwandige Halbzeug eingebracht werden können. Zu diesen Beul- bzw. Wölbstrukturierungsverfahren zählen viereckige oder sechseckige Beul- bzw. Wölbstrukturen ( EP 0693 008 , EP 0900 131 ) oder wappenförmige Beul- bzw. Wölbstrukturen ( EP 0888 208 ). Die Beul- bzw. Wölbstrukturen besitzen das gemeinsame Merkmal, dass sie aus einer vorgekrümmten glatten Materialbahn, die von innen partiell abgestützt und dann von außen mit moderatem Überdruck beaufschlagt wird, entstehen. Dabei bilden sich gleichmäßig aneinander gereihte, vorzugsweise hexagonale Strukturen dadurch, dass eine gekrümmte Materialbahn von einer konvexen Krümmung in eine konkave Krümmung örtlich umklappt und dabei regelmäßige Strukturmulden und Strukturfalten formt. Durch diesen im Wesentlichen sequenziellen Umklapp-Prozess nach dem Energieminimierungsprinzip wird die Größe der Ausgangsfläche der Materialbahn quasi nicht verändert. Mit anderen Worten: der Umformprozess läuft quasi isometrisch ab (siehe Basisprozess unter www.wikipedia.de unter den Stichwörtern „Wölbstruktur” und „Selbstorganisation”). Deshalb unterscheiden sich diese beul- bzw. wölbstrukturierten Flachmaterialien, wie Bleche, die auf Basis des oben genannten Basisprozesses weiterentwickelt wurden, grundsätzlich von den traditionell mit Hilfe von Formwerkzeugen geprägten oder gewalzten Flachmaterialien, wie Blechen. Denn beim Beul- bzw. Wölbstrukturieren findet kein flächiger Kontakt mit einem Formwerkzeug statt, der störende Reibeffekte in der Gestalt von Mikrorauigkeiten in der dreidimensional strukturierten Wand nach sich ziehen könnte. Beim dreidimensional wellenförmigen Strukturieren in der DE 10 2005 041 516.4 werden – mit Hilfe einer zusätzlichen Elastomerschicht zwischen den Stützelementen und der zu strukturierenden Materialbahn – sanftere Rundungen der Strukturfalten gebildet, deshalb auch Wülste genannt, und ferner Mulden mit eher kugelförmiger Kontur, deshalb auch Kalotten genannt, gebildet. Dabei ergibt sich in der Draufsicht auf die so strukturierte Materialbahn eine etwa mehrdimensional wellenförmige Topologie, weshalb der Begriff „dreidimensional wellenförmige Strukturen” gewählt wurde.
• Bekannt sind ferner einige sekundäre Umformverfahren für die oben genannten beul- bzw. wölbstrukturierten Materialbahnen, wie in der DE 10 2009 049 573 B4 das verzugsfreie, d. h. der Struktur angepasste Abkanten: Hierbei weist die Größe der Raffung der Materialbahn in der Abkantung etwa den gleichen Betrag auf wie die Raffung der flächig strukturierten Materialbahn. Bekannt ist ferner das Werkstoff schonende Feinstrukturieren (für ein späteres dichtes Fügen) der Ränder von beul- bzw. wölbstrukturierten Materialbahnen ( DE 10 2008 056 521 B3 ), wobei der Übergang von den vergleichsweise größeren Wölbstrukturen (im Mittenbereich) verzugsfrei in kleinere Strukturen gestaltet wird. Ferner ist das verzugsarme, thermische Verbinden/Fügen von wölbstrukturierten Materialbahnen ( DE 10 2004 044 509 B4 ) bekannt, wobei die kompensatorische Eigenschaft (Dehnelastizität der strukturierten Materialbahn) beim thermischen Verbinden/Schweißen einer wölbstrukturierten Materialbahn mit beispielsweise einem starren Rahmen vorteilhaft genutzt werden kann. Mit anderen Worten: im Falle einer Ausdehnungsbehinderung infolge örtlicher Temperaturdifferenzen wie beim Schweißen werden, mit Hilfe der Dehnelastizität in Membranrichtung einerseits und der erhöhten mehrdimensionalen Biegesteifigkeit andererseits, die örtlichen Spannungsspitzen im Werkstoff quasi aufgefangen und so störende Wellungen/Verzüge in der Materialbahn vermieden oder zumindest stark reduziert. Es existieren jedoch noch gravierende Nachteile bei diesen bekannten Beul- bzw. Wölbstrukturierungsverfahren und bei den bekannten sekundären Umformverfahren, wenn das Ziel darin besteht, ein deutlich tiefer dreidimensional strukturiertes und hoch versteifendes Flachmaterial mit ebenen, einfach zu fügenden Teilbereichen, insbesondere aus Blech, beispielsweise für eine verbesserte Wärmeübertragerwand in einem Sandwichbauteil, wie für einen Kanalwärmetauscher, mit einer verbesserten Wärmeübertragung bei sauberem und verschmutztem Abwasser, oder für einen Bioreaktor, auch aus Glas, zu entwickeln und herzustellen. Mit dem Sandwichbauteil ist hier beispielsweise ein Abstand haltendes Bauteil gemeint, womit eine spaltförmige Wärmetauscherkammer mit effizienter Stromführung für die Fluide eines Wärmetauschers zu realisieren wäre. Der erste Nachteil besteht in einer verbesserungsbedürftigen mehrdimensionalen Strukturierung der Wärmeübertragerwand mit einer stärkeren Intensivierung der wandnahen Strömung für einen verbesserten Freispül- und Antifouling-Effekt, wobei der Strukturierungs-prozess der Wand jedoch nicht eine Mikro-Rauheit der Oberfläche der Wand nach sich ziehen soll (wegen der Gefahr des Anhaftens von Partikeln, wie beim Biofouling), und wobei der Strömungsdruckverlust nur moderat gegenüber der glatten, d. h. nicht strukturierten Wand ansteigen soll. Denn es ist bekannt, dass der Strömungsdruckverlust, insbesondere bei fortlaufenden Querschnittverengungen und -erweiterungen, eine deutlich erhöhte Pumpleistung oder im Fall eines Kanalwärmetauschers auf der Abwasserseite ein größeres Kanalgefälle erfordern würde. Die bekannten beul- bzw. wölbstrukturierten Wände ( EP 0693 008 , EP 0900 131 , EP 0888 208 , DE 10 2005 041 516.4 ) und die mittels mechanischer Formwerkzeuge konventionell geprägten oder gewalzten Wände und schließlich auch die bekannten, beispielsweise reihenweise schräg zur Fluidströmung angeordneten Sicken oder Wandeinbauten sind noch verbesserungsbedürftig.
• Es ist weiterhin ein Verfahren zur Herstellung von wölbförmigen Strukturen bekannt, wobei deutlich tiefere hexagonale Strukturen auf Werkstoff- und Oberflächen schonende Weise ohne Wandausdünnung im Bereich der Strukturfalten bzw. -wülste mit hoher versteifender Wirkung in die Materialbahn eingebracht werden können ( DE 10 2010 034 076 B3 ) als bei den oben genannten Beul- bzw. Wölbstrukturierungsverfahren. Es erscheint zunächst naheliegend, diese tief wölbförmigen Strukturen aus der DE 10 2010 034 076 B3 für die gewünschte Intensivierung der Strömung in einem Wärmetauscher, insbesondere Kanalwärmetauscher direkt zu übernehmen. Das war jedoch bisher nicht möglich, weil eine hierfür weiterentwickelte insbesondere tief wölbförmige Strukturierungstechnik und eine entsprechende sekundäre Umformtechnik nicht zur Verfügung steht, um eine Wärmeübertragerwand, insbesondere für einen Kanalwärmetauscher mit gewünschter mäanderförmigen Stromführung aus zwei Abstand gebenden und dicht miteinander zu verbindenden Blechelementen oder für einen Bioreaktor, auch aus Glas, herstellen zu können. Hierbei besteht die Schwierigkeit sowohl beim bekannten Beul- bzw. Wölbstrukturieren ( EP 0693 008 , EP 0900 131 , EP 0888 208 , DE 10 2005 041 516.4 ) als auch beim bekannten tief wölbförmigen Strukturieren ( DE 10 2010 034 076 B3 ) folgendermaßen: Die vorzugsweise hexagonalen Strukturfalten bzw. -wülste sind in Laufrichtung der Materialbahn tick-zackförmig und quer zur Laufrichtung der Materialbahn geometrisch versetzt zueinander angeordnet und bieten zwar Vorteile hinsichtlich einer mehrdimensionalen Versteifung und sanfter Strömungsumlenkungen; sie erscheinen jedoch für ein Abstand gebendes und dicht zu fügendes sandwichartiges Bauteil mit integrierter Mäanderführung ungeeignet. Beispielsweise ist es nicht möglich, einen definierten Spalt in einem Kanalwärmetauscher für eine gewünschte Stromführung dadurch zu herzustellen, dass eine vollflächig tief wölbförmig strukturierte Materialbahn einfach mit einem glatten Blech dicht gefügt wird, ohne dass unerwünschte Leckströmungen auftreten. Denn für eine hohe integrale Wärmeübertragungsleistung sind nicht nur der hohe örtliche Wärmedurchgang, sondern auch eine vorteilhafte Stromführung mit einer großen so genannten treibenden Temperaturdifferenz zwischen beiden Fluiden, beispielsweise dem Abwasser und dem Wärmetauschmedium, wichtig, wie dem Fachmann bekannt ist.
• Schließlich ist in der DE 10 2013 017 644.1 , zum Zeitpunkt der Anmeldung noch nicht veröffentlicht, ein Verfahren zum Herstellen einer mehrdimensional strukturierten Materialbahn und Verwendung derselben beschrieben, wobei eine hohe allseitige Biegesteifigkeit bei vergleichsweise geringer Dehnelastizität erreicht wird, ferner eine Anwendung als zylindrisch schwach gekrümmtes Dachelement mit hoher Versteifung und reduziertem Durchschlagverhalten sowie als ein belastungsgerechtes Bauelement bei überlagerten Lastfällen. In der DE 10 2013 017 644.1 , 10, sind in einem Diagramm der Steifigkeitsfaktor (definiert als Verhältnis der Biegesteifigkeiten von einem dreidimensional strukturierten Blechmuster und glattem Blechmuster, zu berechnen mit Hilfe eines empirisch bestimmten „Gütefaktors C” multipliziert mit dem Verhältnis der Ersatz-Elastizitätsmoduli vom strukturierten und glatten Blechmuster) in Abhängigkeit vom Verhältnis von Strukturtiefe und Blechstärke h des Blechmusters dargestellt. Daraus ist zu erkennen, dass der Steifigkeitsfaktor in Laufrichtung der strukturierten Materialbahn (gekennzeichnet durch „längs”) und quer zur Laufrichtung der strukturierten Materialbahn (gekennzeichnet durch „quer”) erwartungsgemäß mit größerem Verhältnis von Strukturtiefe und Blechstärke h des Blechmusters zunimmt, jedoch mit einer unterschiedlichen Charakteristik. Während die beul- bzw. wölbstrukturierten Blechmuster (in der DE 10 2013 017 644.1 , 10, Ziffern 15, 16 und 16a) die höchsten „Gütefaktoren C”, allerdings noch geringe Steifigkeitsfaktoren aufweisen, besitzen die tief wölbförmig strukturierten Blechmuster (in der DE 10 2013 017 644.1 , 10, Ziffern 18 und 18a) die höchsten Steifigkeitsfaktoren allerdings mit etwas geringeren „Gütefaktoren C”, welche aber dennoch deutlich höher ausfallen als ein Beispiel für ein herkömmlich hexagonal geprägtes und somit viel starker plastifiziertes Blechmuster (in der DE 10 2013 017 644.1 , 10, Ziffer 17). In der DE 10 2013 017 644.1 sind ausschließlich dreidimensional strukturierte Materialbahnen als Einzelteile beschrieben, wobei zwar abschnittweise tiefe Strukturmulden bzw. -kalotten und weniger tiefe Strukturmulden bzw. -kalotten hergestellt werden können (siehe Ansprüche 2, 3, 4, 9 in DE 10 2013 017 644.1 ). In der DE 10 2013 017 644.1 finden sich aber keine Hinweise auf eine Möglichkeit zur Schaffung von durchgängigen, ebenen linienförmigen oder flächigen Teilbereichen, die für ein dichtes Fügen von vorzugsweise tief wölbförmig strukturierten Blechplatinen, beispielsweise für die Herstellung eines Kanalwärmetauschers, benötigt werden. In der DE 10 2013 017 644.1 finden sich auch keine Hinweise auf strömungs- und wärmetechnische Aspekte zur Verbesserung der Wärmeübertragung, wie in einem Kanalwärmetauscher oder Bioreaktor, auch aus Glas, mit sauberen und verschmutzen Fluiden.
• In der DE 10 2010 019 734 A1 ist eine Wärmetauschervorrichtung, Verwendung und Wärmetauscheranordnung beschrieben, „wobei die Wärmetauscherwandung (oben Wärmeübertragerwand genannt) und die Wärmetauscherkammerwandung zumindest bereichsweise derart voneinander beabstandet angeordnet sind, dass zwischen der Wärmetauscherwandung und der Wärmetauscherkammerwandung bereichsweise eine Wärmetauscherkammer ausgebildet wird ...” (Zitat aus der Zusammenfassung der DE 10 2010 019 734 A1 ). Weiterhin sind in der DE 10 2010 019 734 A1 beschrieben: in Abschnitt [0020]: „Vorzugsweise ist die Wärmetauscherkammer von dem Vorlauf zum Rücklauf spiralförmig um die Längsrichtung L drehend ausgebildet”; [0021]: ... spiralförmiges Distanzelement ...”; [0022]: „... Distanzelement aus Draht mit einem Durchmesser von etwa 1 mm bis etwa 5 mm oder einem schmalen Blechstreifen mit einer Breite von etwa 5 mm 10 mm ...”; [0030]: „Vorzugsweise sind auf der Abwasserseite der Wärmetauscherwandung zumindest bereichsweise Vertiefungselemente und/oder Erhebungselemente angeordnet sind, deren Kontur entlang einer Konturrichtung K verläuft, die im wesentlichen verschieden von der Längsrichtung L ist, um eine laminare Abwasserströmung entlang der Längsrichtung zu stören.” [0031]: „.... Vorteilhafterweise wird eine laminare Strömung von Abwasser in der Abwasserrohrleitung im Bereich der Wärmetauscherwandung durch Vertiefungselemente und/oder Erhebungselemente durch eine lokale Variation der Abwasserfließgeschwindigkeit gestört, so dass dort vorteilhafterweise eine turbulente Strömung vorliegt.”; [0032]: „Weiter vorteilhafterweise wird die Bildung einer Sielhaut auf der Wärmetauscherwandung durch die lokale Variation der Fließgeschwindigkeit vermindert wird die Besiedlung der Wärmetauscherwandung durch Mikroorganismen durch Vertiefungselemente und/oder Erhebungselemente minimiert, da in den Bereichen mit erhöhter Abwassergeschwindigkeit die Mikroorganismen keinen Halt finden ...”; [0033]: „... bewirken Vertiefungselemente und/oder Erhebungselemente eine Versteifung der Wärmetauscherwandung, so dass ... eine geringere Materialstärke des Wandungsmaterials notwendig ist ...”; [0034]: „... Konturrichtung der Störkörper um mehr als 10° bevorzugt mehr als 45° von der Längsrichtung L, so dass Turbulenz erzeugt wird ...”; [0035]: „... Prinzip der Verminderung der Sielhaut auch auf andere Ausführungsformen”; [0036]: ”Vorzugsweise weisen die Vertiefungselemente und/oder Erhebungselemente jeweils eine Wandung auf, wobei die Wandung und die Abwasserseite zumindest bereichsweise im wesentlichen senkrecht zueinander stehen. Vorteilhafterweise ist dadurch eine max. Störung und Pertubation des Abwassers erreichbar.”; [0037]: ”Vorzugsweise weisen die Vertiefungselemente und/oder Erhebungselemente jeweils eine Wandung auf, wobei der Übergangsbereich zwischen der Wandung und der Abwasserseite einen Krümmungsradius von kleiner als 2 mm aufweist.” [0038]: ”Vorzugsweise weisen die Vertiefungselemente und/oder Erhebungselemente einen Boden bzw. Plateau auf, wobei sich der Boden bzw. Plateau im wesentlich parallel zur Abwasserseite erstreckt ...”; [0039]: „Vorzugsweise ist der Betrag des Versatzes zwischen Boden bzw. Plateau und Abwasserseite entlang der Normalen N der Abwasserseite größer als 2 mm, weiter bevorzugt größer als 3 mm, 5 mm aber insgesamt kleiner als 10 mm.”; [0040]: ”Vorzugsweise sind die Vertiefungselemente auf der Abwasserseite der Wärmetauscherwandung derart, z. B. als Sicken ausgebildet, dass die Innenseite der Wärmetauscherwandung im Bereich der Vertiefungselemente die Innenseite der Wärmetauscherkammerwandung kontaktiert.”; [0041]: „... bereichsweise Beabstandung mittels Vertiefungen erfolgt ... wie stegartige oder spiralförmige Trennelemente bzw. Stege oder Schikanen.”; [0043]: ” Vorzugsweise sind die Vertiefungselemente und/oder Erhebungselemente kreisförmig mit einem Mittelpunkt M und einem Durchmesser D ausgebildet. Bevorzugt liegt der Durchmesser D zwischen 20 und 50 mm, bevorzugt zwischen 25 und 40 mm”; [0044]: ”Vorzugsweise ist der Mittelpunkt M benachbarter Vertiefungselemente zueinander als das zweifache des Durchmessers (2 × D) und kleiner als das fünffache des Durchmessers (5 × D).” Einige dieser sinngemäß aus der DE 10 2010 019 734 A1 genannten Aspekte erscheinen noch verbesserungsbedürftig. Beispiele hierfür sind insbesondere die in der DE 10 2010 019 734 A1 beschriebenen „bereichsweisen Vertiefungselemente und/oder Erhebungselemente” (sinngemäß in [0030], [0031], [0032], [0034], [0035], [0036], [0037] und in [0038]), die auf der Abwasserseite der Wärmetauscherwandung vorzugsweise schräg zur Längsrichtung des Wärmetauschers L angeordnet, um eine laminare Abwasserströmung entlang der Längsrichtung zu stören und um durch eine lokale Variation der Abwasserfließgeschwindigkeit eine turbulente Strömung zu erzeugen. Das erscheint noch verbesserungsbedürftig, um ein Biofouling vermindern zu können, ferner das Ablösen der Strömungsgrenzschicht an kantenartigen oder nur wenig gerundeten Konturen mit der Entstehung von unerwünschten Totwassergebieten gering halten zu können. Auch eine Steigerung des konvektiven Wärmeübergangs auf der Seite des Wärmeträgermediums erscheint möglich. Schließlich entstanden die in die Wärmetauscherwandung eingebrachten bereichsweisen Vertiefungselemente und/oder Erhebungselemente, wie auch sinngemäß aus [0043] und [0044] und den 4a, 4b, 5a, 5b zu entnehmen, offensichtlich mit Hilfe von herkömmlich mechanischen Prägemaschinen bzw. Formwerkzeugen, wobei der Wandwerkstoff erheblich plastifiziert und somit die Oberflächengüte des glatten Ausgangsblechs in Mitleidenschaft gezogen sein dürfte. Hierbei besteht ein Verbesserungspotenzial, da beispielsweise im VDI-Wärmeatlas, 9. Auflage 2002, im Abschnitt Od 11: Verschmutzung von Wärmeübertragerflächen im Kapitel 3.4: Ungefähre Abhängigkeit des Foulingwiderstandes von den Betriebsbedingungen darauf hingewiesen wird: „Fouling nimmt mit zunehmender Mikrorauhigkeit der Heizfläche zu”.
• In der DE 10 2009 035 271 B1 wird im Abschnitt [0008] auf eine Wärmetauschervorrichtung mit einer glatten Oberfläche hingewiesen, allerdings im Zusammenhang mit verringerter Verletzungsgefahr bei den Montagearbeiten und einer einfachen Reinigung. Dort findet sich aber kein Hinweis auf das Fouling im Zusammenhang mit der Mikrorauhigkeit insbesondere im Bereich der „bereichsweisen Vertiefungselemente und/oder Erhebungselemente”.
• Ferner sind sogenannte Wärmetauschsysteme außerhalb des Abwasser-Kanals bekannt, die über eine zusätzliche Abwasserhebeanlage über einen Bypass gespeist werden. Wenn diese Wärmetauschsysteme als Rohrbündel ausgestattet sind, ist hierfür eine Selbstreinigungsanlage für die Reduzierung des Fouling während des Betriebes bekannt.
• Bei einem Bioreaktor aus Glas sind aus werkstofflichen und umformtechnischen Gründen noch weitere Anforderungen zu erfüllen. Wenn die Vorteile des besonders Werkstoff- und Oberflächen schonenden Beul- bzw. Wölbstrukturierungsverfahrens zur Anwendung kommen sollten, stößt man auf zwei generelle Schwierigkeiten: Erstens ist eine praktische Erzeugung des erforderlichen Wirkdruckes (etwa kritischer Beuldruck) für die Bildung der mehrdimensionalen Strukturen schwierig, da die bekannten elastischen Wirkmedien die hohen Temperaturen (beispielsweise für Borglas deutlich oberhalb der Glastemperatur von 525°C) eines Glases im umformbaren Zustand nicht aushalten. Deshalb helfen hierbei auch die Hinweise in der DE 10 2006 014 049 B4 „Verfahren zur Herstellung eines strukturierten Kunststoffbauteils” noch nicht weiter. Zweitens sind die mittels der bekannten Beul- bzw. Wölbstrukturierungsverfahren erreichbaren Strukturtiefen noch unbefriedigend, um einen großen Freispül- bzw. Abtragungseffekt zwecks vermindertem Fouling zu erzielen. Ferner existiert in der DE 10 2010 034 076 B3 kein Hinweis darauf, wie tief wölbförmige Strukturen in eine dünne Glaswand einzubringen wären.
• Die besondere Herausforderung besteht darin, für dreidimensional strukturierte, insbesondere tief wölbförmig strukturierte Materialbahnen den bisher bestehenden Widerspruch zwischen hoher mehrdimensionaler Versteifung mittels möglichst tiefer Strukturen einerseits, ebener durchgängiger linienförmiger oder flächiger Teilbereiche (für das spätere dichte Fügen und/oder für die Abstandshaltung) andererseits, bei gleichzeitig möglichst vollständigem Erhalt der Oberflächengüte (zur Verminderung von Fouling) und geringer Werkstoffbeanspruchung (geringe Plastifizierung/Ausdünnung) zu überwinden oder zumindest zu mindern. Die Schwierigkeit besteht insbesondere darin, das aus der Geometrie und Topologie bekannte Problem zu überwinden, dass man aus einer stark dreidimensionalen (nicht abwickelbaren) Gestalt dünnwandiger Materialien nicht einfach ebene, d. h. zweidimensionale, durchgängige Teilbereiche erzeugen kann, ohne zugleich unerwünschte große Plastifizierungen des Werkstoffes und Beeinträchtigung der Oberflächengüte sowie unbeherrschbare innere Spannungen mit der Gefahr von Instabilitäten oder Verzügen des Fertigbauteils in Kauf nehmen zu müssen.
• Aufgabenstellung
• Die Aufgabe besteht darin, eine Strukturierungstechnik und eine sekundäre Umformtechnik zu entwickeln, mit der eine dreidimensional strukturierte, insbesondere tief wölbförmig strukturierte Materialbahn mit ebenen durchgängigen linienförmigen oder flächigen Teilbereichen, vorzugsweise aus dünnem Blech, aber auch aus dünnem Glas oder Kunststoff, insbesondere für einen Wärmetauscher, beispielsweise für einen Kanalwärmetauscher aus Abstand gebenden und fügbaren Blechen oder für einen Bioreaktor, jeweils mit Erhalt der glatten Oberflächengüte des Ausgangsmaterials, zwecks mehrdimensionaler Versteifung und/oder hoher wärme- und strömungstechnischer Effizienz für saubere und verschmutzte bzw. biologische Fluide mit Freispüleffekt und geringer Bildung von Fouling hergestellt werden kann. All das soll ohne komplizierte Formwerkzeuge und Maschinen sowie mit geringem Energieaufwand erfolgen können. Ferner soll eine Vorrichtung zur Herstellung einer partiell dreidimensional strukturierten, insbesondere tief wölbförmig strukturierten Materialbahn sowie eine Vorrichtung zur sekundären Weiterverarbeitung der partiell dreidimensional strukturierten Materialbahn mit ebenen durchgängigen oder gesickten und/oder abgekanteten Teilbereichen beschrieben werden, mit der beispielsweise die Wärmeübertragerwand für einen Wärmetauscher, insbesondere einen Kanalwärmetauscher oder für einen Bioreaktor, auch aus Glas oder Kunststoff, für saubere und verschmutzte Fluide hergestellt werden kann.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Im Folgenden wird auf die einzelnen Aspekte näher eingegangen. Die Beschreibung beginnt mit dem Verfahren gemäß mit der Erfindung zum Herstellen einer partiellen, vorzugsweise tief wölbförmig strukturierten Materialbahn, zunächst aus Blech. Es folgt dann die Beschreibung unterschiedlicher Verfahren für sekundäre Umformungen gemäß der Erfindung insbesondere von partiell vorzugsweise tief wölbförmig strukturierten Materialbahnen. Schließlich folgen die Beschreibungen der Verwendung derselben insbesondere für eine Wärmeübertragerwand, wie für einen Kanalwärmetauscher oder eines Bioreaktors, auch aus Glas, gemäß der Erfindung sowie der Vorrichtungen zur Herstellung derselben nach dem Verfahren gemäß der Erfindung.
• Da die oben genannten isometrischen Wölbstrukturierungsverfahren insbesondere wegen ihrer unzureichenden Strukturtiefen die genannten Anforderungen noch nicht erfüllen können, wird nach der Erfindung zunächst das bekannte Verfahren zur Herstellung tief wölbförmiger Materialbahnen ( DE 10 2010 034 076 B3 ) weiterentwickelt, um ebene durchgängige und Abstand gebende bzw. dicht zu fügende Teilflächen zu ermöglichen. Nach einem Aspekt der Erfindung wird das dadurch erreicht, dass eine partiell dreidimensional strukturierte Materialbahn, insbesondere mit tief wölbförmiger Strukturierung, wobei Stützelemente gegen die eine Seite der Materialbahn drücken und konvex gerundete Druckelemente gegen die andere Seite der Materialbahn drücken, und wobei die Druckelemente die vorzugsweise Kalotten oder Mulden ausformen, wobei die Materialbahn durch eine äußere Belastung von den gekrümmten Stützelementen weg gebogen wird und so eine Hebelwirkung aufgebaut wird, jedoch in Unterscheidung zur DE 10 2010 034 076 B3 in Laufrichtung der Materialbahn abschnittweise Druckelemente quer zur Laufrichtung der Materialbahn ausgespart werden, wodurch eine negative Normalspannung in den von den Druckelementen ausgesparten Bereichen der Materialbahn aufgebaut wird, wobei beim Wegbiegen der Materialbahn von den Stützelementen in den von den Druckelementen ausgesparten Bereichen der Materialbahn jeweils ein Umklappen erfolgt und eine Falte gebildet wird, und wobei die angrenzenden, quer zur Laufrichtung der Materialbahn angeordneten Falten bzw. Wülste aufgebogen und senkrecht zur Materialbahn angehoben werden, wodurch quer zur Laufrichtung der Materialbahn eine durchgängige Höhenlinie gebildet wird (aus dem Hauptanspruch). Dieses Verfahren nach der Erfindung wird nun im Folgenden näher beschrieben und dann später beispielhaft in den 1 bis 7 im Detail dargestellt.
• Die Strukturbildungen entstehen in einem kontinuierlichen Herstellungsprozess schrittweise, wobei konvex gerundete Druckelemente, angeordnet auf einer Druckelementwalze, abschnittweise gegen eine glatte Materialbahn und gegen die Stützelemente, angeordnet auf der Stützelementenwalze, drücken. Durch partielles Aussparen von Druckelementen auf der Druckelementwalze entstehen beispielhaft die tief wölbförmigen Mulden bzw. Kalotten und Falten bzw. Wülste nicht durchgängig, wie in der bekannten DE 10 2010 034 076 B3 (dort 1). Es wird nun beschrieben, wie nach der Erfindung mit Hilfe von partiell ausgesparten Druckelementen von selbst firstförmige Erhebungen mit jeweils einer partiellen Falte in der Materialbahn gebildet werden, die sich mit den benachbarten Falten bzw. Wülsten zu einer gemeinsamen, durchgängigen Höhenlinie quer zur Laufrichtung der Materialbahn zusammenschließen. Die Materialbahn hebt sich am Eintritt in die Strukturierungsvorrichtung von den Druckelementen der Druckelementwalze etwas ab, so dass eine etwa S-förmige Gestalt in der Materialbahn entsteht. Die Stützelemente, die auf der Stützelementenwalze axial, d. h. quer zur Laufrichtung der Materialbahn, angeordnet sind, bilden Falten bzw. Wülste quer zur Materialbahn aus. Die Stützelemente, die tick-zackförmig auf dem Umfang der Stützelementenwalze angeordnet sind, bilden die zick-zackförmigen Falten bzw. Wülste in Laufrichtung der Materialbahn aus. Die Vorrichtung (siehe 1) unterscheidet sich also von der DE 10 2010 034 076 B3 dadurch, dass in Laufrichtung der Materialbahn abschnittweise tief wölbförmig strukturierte Mulden bzw. Kalotten ausgespart werden. Das geschieht durch eine abschnittweise Aussparung von einzelnen oder mehreren, axial auf der Druckelementwalze, d. h. quer zur Laufrichtung der Materialbahn, angeordneten Druckelementen. Die Materialbahn weist in dem Bereich, wo sich zwischen der Stützelementenwalze und der Druckelementwalze momentan gerade kein Druckelement im Eingriff befindet, nur eine geringe konkave Krümmung auf. Man würde eigentlich an dieser Stelle der Materialbahn ebenfalls eine geringe konkave Krümmung erwarten, wenn die Materialbahn nur kurze Zeit später die Strukturierungseinheit verlässt, da dann weder Stützelemente noch Druckelemente sich im Eingriff befinden. Das ist jedoch nicht der Fall, wie das Experiment zeigt. Stattdessen bildet sich an dieser Stelle, quasi von selbst – gemeint ist ohne Werkzeugeingriff – eine firstförmige Erhöhung mit einer partiellen Falte mit konvexer Krümmung (in Draufsicht). Die Ursache hierfür ist: Die vorzugsweise partiell tief wölbförmig strukturierte Materialbahn ist unmittelbar nach dem Strukturierungsvorgang bestrebt, sich eng an die Stützelementenwalze anzuschmiegen. Um die Materialbahn unmittelbar nach dem Strukturieren in die ebene Gestalt zu biegen, wird die Materialbahn durch eine äußere Kraft F₂ > 0 von der Stützelementenwalze weg gebogen. Die Kraft F₂ > 0 und die so erzeugte Hebelwirkung hat in mehrfacher Hinsicht eine besondere Bedeutung für den partiellen Strukturierungs- und Richtprozess: erstens für die Schonung des Werkstoffes der Materialbahn im Bereich der gebildeten Wülste bzw. Falten und der vorzugsweise tief wölbförmig eingebrachten Mulden bzw. Kalotten (analog zur DE 10 2010 034 076 B3 ), zweitens für die hier angesprochene Ausbildung der partiellen konvexen Falte (siehe auch 1 bis 3) und drittens für die Ausbildung einer durchgängigen Höhenlinie quer zur Laufrichtung der Materialbahn, die später erläutert wird (siehe auch 5 bis 7). Bei weichen bzw. sehr duktilen Werkstoffen kann die Hebelwirkung eine untergeordnete Rolle oder keine Rolle spielen, da das plastische Werkstoffverhalten in den Vordergrund tritt.
• Aus der DE 10 2010 034 076 B3 ist bereits bekannt, dass insbesondere beim Werkstoff schonenden Herstellen einer tief wölbförmig strukturierten Materialbahn eine vergleichsweise große Raffung in Laufrichtung der Materialbahn (Größenordnung bis ca. 4%) auftritt. Das Bilden der partiellen konvexen Falten und firstförmigen Erhebungen lässt sich aus unterschiedlichen örtlichen Spannungszuständen der Materialbahn erklären: Infolge der verschiedenen Vorgänge beim Entstehen der tief wölbförmigen (konvexen) Mulde bzw. Kalotte einerseits und des Bereichs mit der geringen konkaven Krümmung andererseits, kann sich die Materialbahn während des Rotierens der Druckelementwalze und der Stützelementenwalze in ihrer Laufrichtung in unterschiedlicher Weise deformieren (wird in 5 eingehender erläutert). Dadurch werden sowohl örtliche Membran-Druckbereiche (durch sogenannte negative Normalkräfte) als auch örtliche Membran-Zugbereiche (durch sogenannte positive Normalkräfte) in der Materialbahn aufgebaut (wird in den 6 und 7 eingehender erläutert), was für die Ausbildung der firstförmigen Erhebung mit der partiellen Falte wichtig ist. Eingeleitet wird dieser Vorgang durch die bereits aus der DE 10 2010 034 076 B3 bekannte Hebelwirkung, jedoch in einem anderen Zusammenhang: Hierbei drückt ein Stützelement mit einer Kraft gegen die Materialbahn und erzeugt mit der entgegen gerichteten Kraft des Druckelementes und der bereits bekannten Kraft F₂ > 0 eine Hebelwirkung, wodurch die oben genannte schwach gekrümmte Stelle der Materialbahn örtlich in eine Gegenkrümmung umschlägt und dadurch eine firstförmige Erhöhung mit einer partiellen konvexen Falte bildet. Hierbei ist zu beachten, dass diese schwache Krümmung deutlich geringer ist als die Krümmung der benachbarten tief wölbförmigen Mulden bzw. Kalotten. Denn eine schwach gekrümmte Schale schlägt mit viel geringerer Kraft und Energie in die Gegenkrümmung um als eine stark gekrümmte Schale.
• Nach einem weiteren Aspekt gemäß der Erfindung wird in einer partiell tief wölbförmig zu strukturierenden Materialbahn die Aussparung der Druckelemente in axialer Richtung der Druckelementwalze nicht vollständig, sondern nur in einem Teilbereich vorgenommen (siehe auch 3).
• Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung treten einerseits in dem schwach konkav gekrümmten Bereich, in dem kein Druckelement im Eingriff ist, und andererseits in unmittelbarer Nachbarschaft mit tief wölbförmigen Mulden bzw. Kalotten, wo Druckelemente im Eingriff sind, unterschiedliche Spannungszustände und somit unterschiedliche Deformationen auf. Wie bereits darauf hingewiesen, wird die Materialbahn insbesondere durch das Andrücken der Druckelemente gegen die Materialbahn stark gerafft. Der Bereich mit der schwach konkaven Krümmung ist somit von mehreren Strukturfalten bzw. -wülsten und den zugehörigen tiefen Strukturmulden bzw. -kalotten umgeben, so dass die starken Raffungen im Bereich der Strukturmulden bzw. -kalotten zu einer Stauchung des schwach konkav gekrümmten Bereiches führen. Der schwach gekrümmte Bereich erfährt dadurch ebenfalls eine Raffung und baut zugleich als Reaktion darauf Druckspannungen (negative Normalspannungen) auf (siehe auch 7, Bild links unten, gekennzeichnet durch Pfeile). Somit wird nach der Erfindung der schwach gekrümmte Bereich der Materialbahn, wo sich kein Druckelement im Eingriff befand, auf Druck vorgespannt. Dadurch unterscheidet sich dieses neue Verfahren grundsätzlich von den konventionellen mechanischen Präge- und Walzprozessen, die im Wesentlichen zu einer örtlichen Streckung und damit örtlichen Ausdünnung der Materialbahn führen.
• Es wird jetzt auf die bereits oben angesprochene Bildung einer quer zur Laufrichtung der Materialbahn sich quasi von selbst bildenden gemeinsamen Höhenlinie eingegangen (siehe auch 7). Beim Wegbiegen der vorzugsweise tief wölbförmig strukturierten Materialbahn von der Stützelementenwalze treten starke Biegekräfte auf, da die in Laufrichtung der Materialbahn angeordneten Falten bzw. Wülste ein großes Trägheitsmoment gegenüber Biegung aufweisen. Dadurch wird beim Wegbiegen der global konkav gekrümmten, strukturierten Materialbahn ein starkes Moment M aufgebaut, das auch auf den bereits auf Druck vorgespannten schwach konkav gekrümmten Bereich wirkt. Durch dieses Moment M steigen die Druckspannungen (negative Normalspannungen) im schwach konkav gekrümmten Bereich weiter stark an und es kommt zu einem Durchschlag in die Gegenkrümmung, wodurch sich eine firstförmige Erhöhung mit einer partiellen Falte quasi von selbst ausbildet. Diese partielle Falte wird in der Mitte der firstförmigen Erhöhung gebildet, da der zuvor schwach konkav gekrümmte Bereich seitlich in einer zick-zackförmigen Zwangsbedingung eines Sechsecks (der zick-zackförmigen Falten bzw. Wülste) fixiert wird und durch das an der gesamten Materialbahn angreifende starke Moment M zugleich die quer zur Laufrichtung der Materialbahn angrenzenden, konkav (in Draufsicht auf die konvexen Mulden bzw. Kalotten) gekrümmten Falten bzw. Wülste aufgebogen und ebenfalls angehoben werden. Nach dem Richten der Materialbahn in die ebene Gestalt haben sich die gebildeten partiellen Falten und die angrenzenden Falten bzw. Wülste zu einer durchgehenden Höhenlinie zusammengeschlossen (nähere Erläuterung in der Beschreibung der 5 bis 7).
• Die wesentlichen Merkmale des neuen Verfahrens gemäß der Erfindung und die Abgrenzung zu den bekannten Verfahren werden hier noch einmal kurz zusammengefasst: Beim Verfahren gemäß der Erfindung wird das überschüssige Material in den ausgesparten Bereichen der Materialbahn, d. h. wo keine vorzugsweise tief wölbförmigen Strukturen gebildet werden, so angeordnet, dass eine durchgängige faltenförmige Erhebung auf quasi gleichem Höhenniveau verzugsfrei gebildet wird, weil diese durch eine im Wesentlichen freie Biegung sowie durch eine initiierte Kerbwirkung der angrenzenden Wülste bzw. Falten in Laufrichtung entstand.
• Das grenzt dieses Verfahren gemäß der Erfindung gegenüber den bekannten Strukturierungsverfahren, wie dem Beul- bzw. Wölbstrukturieren, dem dreidimensional wellenförmigen Strukturieren ( EP 0693 008 , EP 0900 131 , EP 0888 208 , DE 10 2005 041 516.4 ) sowie dem bekannten tief wölbförmigen Strukturieren ( DE 10 2010 034 076 B3 ) ab. Beim bekannten Beul- bzw. Wölbstrukturierungsverfahren wird eine Kavität von allen Seiten für jeweils eine einzelne, wie hexagonale, Strukturbildung durch Stützelemente komplett fixiert und von außen mit Druck beaufschlagt. Beim Überschreiten eines kritischen Beuldruckes erfolgt dann ein „abgeschlossener” Durchschlag im Bereich der gekrümmten Materialbahn. Im Verfahren gemäß der Erfindung findet zwar, ähnlich wie beim DE 10 2010 034 076 B3 , ein „offener” Durchschlag statt, wobei die Stützelemente die gekrümmte Materialbahn im Bereich jeweils einer einzelnen zu erzeugenden, wie hexagonalen, Struktur nicht gleichzeitig von allen Seiten abstützen, und somit ein starkes Raffen der Materialbahn ermöglicht wird. Dadurch wird eine Reduzierung der Wanddicke im Bereich der Falten bzw. Wülste vermieden. Abweichend von der DE 10 2010 034 076 B3 wird in dem neuen Verfahren gemäß der Erfindung eine Aussparung einzelner oder mehrerer vorzugsweise tief wölbförmiger Strukturen quer zur Laufrichtung der Materialbahn verzugsfrei vorgenommen, ohne dass dabei die sehr starken Raffungen im Bereich der tief wölbförmigen Strukturen einerseits und der angrenzenden ausgesparten Bereiche andererseits stören. Ein Merkmal des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht also darin, dass auf diese Weise die sonst bei großen örtlichen Längenänderungen (infolge der stark unterschiedlichen Raffungen) unerwünscht auftretenden Druck-Membranspannungen in der dünnen Materialbahn vorteilhaft genutzt werden, um kontrolliert durch eine im Wesentlichen biegende Umformung eine firstförmige Erhebung zu bilden, wodurch störende verbleibende Druck-Membrankräfte (negative Normal-Spannungen), die sonst leicht zu unerwünschten Instabilitäten und Verzügen des Bauteils führen könnten, abgebaut werden. Das geschieht durch das von selbst stattfindende Umklappen der ausgesparten Bereiche in eine firstförmige Erhöhung mit Bildung einer partiellen Falte, wobei gleichzeitig die quer zur Laufrichtung der Materialbahn angrenzenden Falten bzw. Wülste aufgebogen werden und sich mit den, in den ausgesparten Bereichen gebildeten, partiellen Falten zu einer gemeinsamen, durchgängigen Höhenlinie zusammenschließen.
• Nach einem weiteren Aspekt können im Bereich dieser durchgängigen Höhenlinie mit Hilfe der im Folgenden beschriebenen Verfahren gemäß der Erfindung sekundäre Umformungen der partiell dreidimensional vorzugsweise tief wölbförmig strukturierten Materialbahn vorgenommen werden. Ohne diesen Bereich der durchgängigen Höhenlinie in der partiell dreidimensional strukturierten, vorzugsweise tief wölbförmig strukturierten Materialbahn wären die nun folgenden sekundäre Umformungen nicht ohne Weiteres durchzuführen, ohne dass dabei unerwünschte Instabilitäten oder Verzüge in der Materialbahn oder im Bauteil auftreten.
• In einer Ausgestaltung dieses Verfahrens wird nach der Erfindung der Bereich der durchgängigen Höhenlinie genutzt, um eine Abkantung in Gegenrichtung der firstförmigen Erhöhung (siehe auch 8, 10) oder in Richtung der firstförmigen Erhöhung (siehe 9) durchzuführen.
• In einer Ausgestaltung dieses Verfahrens wird nach der Erfindung der Bereich der durchgängigen Höhenlinie genutzt, um mit Hilfe eines Stempels und einer Matrize die firstförmige Erhöhungen näherungsweise einzuebnen (siehe 11, Bild links) und zugleich die quer zur Laufrichtung der Materialbahn angrenzenden Falten bzw. Wülste umzuformen (siehe 11, Bild rechts) und so in eine neue gemeinsame Höhenlinie mit ebenen flächigen Teilbereichen zu bringen. So lassen sich nur näherungsweise ebene Teilflächen bilden und beispielsweise zum Fügen bereitstellen. Denn durch diese Umformoperation kann zugleich ein leichtes Aufbiegen der Materialbahn erfolgen, wodurch eine Planlage der Materialbahn etwas beeinträchtigt werden kann. Das Aufbiegen der Materialbahn kann aber auch für spezielle Konstruktionen erwünscht sein, beispielsweise um das partiell strukturierte Bauteil zu stabilisieren. Falls jedoch eine gute Planlage gewünscht wird, kann mit Hilfe zusätzlicher Niederhalter das Aufbiegen der Materialbahn unterbunden werden (siehe auch 12 und 13).
• In einer weiteren Ausgestaltung dieses Verfahrens wird nach der Erfindung der Bereich der durchgängigen Höhenlinie genutzt, um mit Hilfe eines Stempels, einer Matrize und eines Niederhalters die firstförmige Erhöhungen und die angrenzenden Falten bzw. Wülste zu einer Sicke quer zur Laufrichtung der Materialbahn umzuformen (siehe auch 14 und 15).
• Mit Hilfe der tief wölbförmig strukturierten Materialbahnen kann auch erreicht werden, dass die Kuppen der vorzugsweise tiefen Mulden bzw. Kalotten eine glatte Wandoberfläche nicht nur auf der konvexen Kuppenseite erhalten (die Oberflächengüte des Ausgangsblechs bleibt erhalten, da während des Strukturierungsprozesses kein Kontakt mit einem Werkzeug oder Wirkmedium stattfindet, wie bereits aus der DE 10 2010 034 076 B3 bekannt ist), sondern auch mit Hilfe einer zusätzlichen dünnen Schutzfolie auf der konkaven Kuppenseite, wo die Druckelemente gegen die Materialbahn beim Strukturierungsprozess drücken. Das haben Untersuchungen gezeigt.
• Es werden nun die funktionellen Verbesserungen von partiell dreidimensional strukturierten, vorzugsweise tief wölbförmig strukturierten Materialbahnen beschrieben: Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung lässt sich eine Erhöhung der wandnahen Strömungsgeschwindigkeit insbesondere im Bereich der konvexen Kuppen der vorzugsweise tief wölbstrukturierten Wärmeübertragerwand, wie eines Kanalwärmetauschers, mit verbessertem Freispüleffekt bzw. Abscher- bzw. Abtragungseffekt von Feststoffablagerungen und/oder Biofouling auf der Abwasserseite erreichen. Dadurch lässt sich das Fouling an der Wärmeübertragerwand, welches sich wie eine störende Wärmedämmschicht verhält, reduzieren. Somit wird der Wärmedurchgang, aufgrund des verbesserten konvektiven Wärmeübergangs (infolge reduzierter laminarer Strömungsgrenzschichtdicke) einerseits und der geringeren Foulingschichtdicke andererseits erhöht. Ferner ist die Tendenz zum Ablösen der Strömungsgrenzschicht vergleichsweise gering, da größere Rauigkeiten und abrupte kantige geometrische Übergänge entlang der dreidimensional strukturierten Wärmeübertragerwand nicht auftreten. Dadurch werden Totwasserzonen, die üblicherweise bei Verwendung konventioneller Schikanen, wie Sicken oder Stege zu einer erhöhten Energiedissipation durch erhöhte Reibung (und damit erforderliches erhöhtes Kanalgefälle) führen, dadurch gering gehalten, dass die vorzugsweise tief wölbförmigen Strukturen erstens exakt regelmäßig versetzt angeordnet sind (der Strömungsquerschnitt ist in Laufrichtung des Kanalwärmetauschers auf der Abwasserseite überall konstant) und zweitens, trotz ihrer großen Strukturtiefe, nur sanfte Rundungen in ihrer Kontur/Topologie aufweisen. Deshalb treten vorteilhaft vergleichsweise energiedissipationsarme Strömungsumlenkungen anstatt von energiedissipationsreichen Grenzschichtablösungen der Strömung auf. Auf der Rückseite der vorzugsweise tief wölbförmig strukturierten Wärmeübertragerwand, wo in der Wärmetauscherkammer das Wärmeträgermedium, in der Regel sauberes zirkulierendes Wasser, entlang der konkaven Seite der tiefen Strukturmulden bzw. -kalotten strömt, ergeben sich weitere vorteilhafte wärme- und strömungstechnische Eigenschaften: Wie bereits aus früheren Untersuchungen an vollflächig überströmten wölbstrukturierten Wärmeübertragerwänden mit einer mäanderförmigen Stromführung bekannt ist, erzeugt die regelmäßig versetzte Anordnung der dreidimensionalen hexagonalen Strukturen eine vergleichsweise hohe Quervermischung des Fluids in der Wärmetauscherkammer. Insbesondere im Bereich der Umlenkzonen und Ecken bilden sich unerwünschte Totwassergebiete (schlechter Wärmeübergang infolge verminderter Strömungsgeschwindigkeit) weniger stark aus. Diese vorteilhafte Quervermischung wird nach der Erfindung mit Hilfe der dreidimensional tief strukturierten, vorzugsweise tief wölbförmig strukturierten Wand noch weiter gesteigert. Als weiterer vorteilhafter Effekt wird in der Wärmetauscherkammer bei der Überströmung der zick-zackförmig angeordneten konvexen Strukturfalten bzw. -wülste, die quer zur Laufrichtung des Kanalwärmetauschers angeordnet sind, die Strömung im Bereich der vorzugsweise tiefen konkaven Strukturmulden bzw. -kalotten der Wärmeübertragerwand mehrdimensional durchmischt und intensiviert (zwecks Erhöhung des konvektiven Wärmeübergangs). All diese Aspekte gemäß der Erfindung betreffen Verbesserungen zu dem in der Einleitung genannten „ersten Anforderungsbereich”, um einige Defizite von konventionell eingeprägten Strukturen in Bezug auf die Wärmeübertragung mit Hilfe von möglichst vollflächig dreidimensional strukturierten, vorzugsweise tief wölbförmig strukturierten Wänden zu überwinden. Diese strömungs- und wärmetechnischen Verbesserungen lassen sich jedoch nur dann einfach und wirtschaftlich in einem Wärmetauscher, beispielsweise Kanalwärmetauscher, realisieren, wenn dicht zu fügende Teilflächen für die Mäanderführung und für die Ränder der Wärmeübertragerwand und der weiteren Wärmetauscherwand geschaffen werden. Um Letzteres zu ermöglichen, betreffen die Aspekte gemäß der Erfindung einige prozesstechnische und umformtechnische Verbesserungen zu dem in der Einleitung genannten „zweiten Anforderungsbereich”.
• Hierfür sind im Einzelnen ebene Teilflächen für ein späteres einfaches Verbinden der Komponenten des Wärmetauschers miteinander, inkl. der Abstand gebenden Elemente, beispielsweise einer Wärmeübertragerwand eines Kanalwärmetauschers ohne unerwünschte Instabilitäten und Verzüge des Bauteils beim Herstellungsprozess einzubringen, ohne dabei die einwandfrei glatte Oberflächengüte zu beeinträchtigen. Ferner kann gemäß der Erfindung die allseitige Biege- und Beulsteifigkeit der Wärmeübertragerwand erhöht werden, wodurch sich einerseits die Wanddicke und somit das Montagegewicht und andererseits die Anzahl der benötigten Schweißpunkte zur Verbindung der beiden Wärmetauscherwände reduzieren lassen.
• Nach der Erfindung sind die folgenden Merkmale und Parameter für eine partiell dreidimensional strukturierte, vorzugsweise tief wölbförmig strukturierte Materialbahn realisierbar: Die dreidimensional strukturierte, vorzugsweise tief wölbförmig strukturierte Materialbahn kann mit einer hexagonalen Struktur, gekennzeichnet durch die Schlüsselweite des Hexagons SW = 10 mm bis 100 mm, vorzugsweise SW = 40 mm bis SW = 60 mm, mit einer Strukturtiefe von 2 mm bis 20 mm, vorzugsweise von 6 mm bis 12 mm, mit einer Breite der sekundär eingebrachten Sicken in den Bereich der durchgängigen Höhenlinie 1 mm bis 50 mm, vorzugsweise von 2 mm bis 30 mm, und mit der Sickentiefe 0,5 mm bis 30 mm, vorzugsweise von 2 mm bis 6 mm, ausgestattet werden.
• Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird für die Herstellung eines Bioreaktors beispielsweise eine vorzugsweise dünne Glaswand bei einer Verarbeitungstemperatur deutlich oberhalb der Glastemperatur mit partiell vorzugsweise tief wölbförmigen Strukturen ausgestattet, welche es gestattet, das Biofouling zu reduzieren, den Lichteinfall bei photochemischen Reaktionen, wie bei der Algenzüchtung zu verbessern, und eine verbesserte Temperierung des Bioreaktors zu erreichen (näheres siehe 25 bis 27 für die Vorrichtung zum Herstellen der partiell vorzugsweise tief wölbförmig strukturierten Glaswand und zum beispielhaften Ausschnitt einer Bioreaktorwand siehe 28).
• Die Erfindung wird anschließend beispielhaft anhand von Figuren erläutert:
  Es gilt die folgende Bezugszeichenliste:
• Bezugszeichenliste

1

Materialbahn

2

partiell dreidimensional wölbförmig strukturierte Materialbahn

3

konvex gerundete Druckelemente

4

Druckelementwalze

5 und 6

Stützelemente

7

Stützelementenwalze

8

Falten bzw. Wülste quer zur Laufrichtung der Materialbahn 2

8a

benachbarte, angrenzende, angehobene Falten bzw. Wülste quer zur Laufrichtung der Materialbahn 2

8b

tiefere Falte bzw. Wulst mit ebener Teilfläche

9

Falte bzw. Wulst in bzw. schräg zur Laufrichtung der Materialbahn 2

10

Mulden bzw. Kalotten (Kuppeln)

11

Ort der bewegten Materialbahn 1, an dem kein Druckelement 3 eingreift

12

partielle Falte bzw. Wulst

13

etwa S-förmige Gestalt der Materialbahn 1 beim Eintritt in die Vorrichtung

14

firstförmige Erhöhung (Erhebung) der partiell dreidimensional wölbförmig strukturierten Materialbahn 2

16

Stempel (für Biegevorrichtung)

17

Matrize (für Biegevorrichtung)

18

Oberwange (für Biegevorrichtung)

19

Unterwange (für Biegevorrichtung)

20

Abstandshalter (für Biegevorrichtung)

21

Biegewange (für Biegevorrichtung)

22

Stempel (für sekundäre Umformung für ebene Teilfläche der Materialbahn 2)

23

Matrize (für sekundäre Umformung für ebene Teilfläche)

24

Teilfläche

25

breiter Stempel (für sekundäre Umformung für ebene Teilfläche für plane Materialbahn 2)

25a

Anlagefläche des Stempels 25

26

Stempel (mit zusätzlichem Niederhalter 27)

27

Niederhalter

28

Stempel (für sekundäre Umformung für ebene Teilfläche für plane Materialbahn 2)

29

Matrize (für sickenförmige Umformung)

30

Druckelement (elastisch)

31

Sicke (für Matrize 29)

32

Stempel (für sekundäre Umformung für ebene Teilfläche für plane Materialbahn 2)

33

Matrize (für sickenförmige Umformung mit Niederhalter)

34

Niederhalter

35, 36, 37, 38

sickenförmige Kantungen (für trapezförmiges Bauteil)

39, 40, 41, 42

Kanten (der partiell dreidimensional wölbförmig strukturierten Materialbahn 2, verbunden mit einer glatten trapezförmigen Materialbahn 43)

43

trapezförmig gekantete glatte (nicht strukturierte) Materialbahn

44, 45, 46, 47

Sicken, Kantungen, Fügestellen (für eine partiell dreidimensional wölbförmig strukturierte trapezförmige Materialbahn, verbunden mit einer glatten trapezförmigen Materialbahn 48, beabstandet zueinander durch die Sickentiefen, für ein Verbundbauteil)

48

trapezförmig gekantete glatte Materialbahn 2 (Blech)

49

partielldreidimensional wölbförmig strukturierte Materialbahn (Blech) mit versetzter Anordnung der Bereiche mit durchgehender Höhenlinie 8a, 12

50

partiell dreidimensional wölbförmig strukturierte Materialbahn mit versetzter Anordnung der Bereiche mit einheitlicher Höhenlinie 8a, 12, sekundär zu ebener Teilfläche 51 umgeformt

51

ebene, versetzt angeordnete Teilflächen

52

partiell dreidimensional wölbförmig strukturierte Materialbahn (Blech) mit versetzter Anordnung der Bereiche mit einheitlicher Höhenlinie 8a, 12, mit ebenen Teilflächen 51 und mit Feinstrukturen 53 an den Rändern der Materialbahn

53

Feinstrukturen

54

partiell dreidimensional wölbförmig strukturierte Materialbahn (Blech) mit versetzter Anordnung der Bereiche mit einheitlicher Höhenlinie 8a, 12 und mit Sicken

55

versetzt angeordnete Sicken

56

unstrukturierte Materialbahn, gesickt oder ungesickt (gefügt mit wölbförmig partiell strukturierter Materialbahn 2, eben oder gesickt)

57 bis 59

partiell dreidimensional wölbförmig strukturierte, zylindrisch geformte Materialbahn 57, mit Fügestellen 59 und mit einer gatten zylindrisch gebogenenaterialbahn 58 (zu einem Verbundbauteil, wie Kanalwärmeaustauscher)

60

Sicken

70

Durchlauferhitzer

71

Luftgebläse

72

Lufterhitzer

73

Rollen

74

Strukturierungsvorrichtung

75

Kühleinheit

76

Wärmetauscher

77, 78

Lagerungen

79

Hubverstellung

80

partiell dreidimensional wölbförmig strukturierte Materialbahn

81

versetzt eingebrachte ebene Teilbereiche der Materialbahn

82

gebogene partiell dreidimensional wölbförmig strukturierte Materialbahn

• 1 zeigt schematisch im linken Bild den Querschnitt durch den Aufbau einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung einer partiell strukturierten Materialbahn 2 mit vorzugsweise tief wölbförmigen, hexagonalen Strukturen, wobei der Querschnitt der Materialbahn 2 im Bild links dem Schnitt A1-A1 durch die Materialbahn 2 im Bild rechts oben und dem Querschnitt A1-A1 im Bild rechts unten entspricht. Das Bild rechts zeigt im oberen Teil die Draufsicht auf die Materialbahn 2, nachdem diese aus der Vorrichtung in Bild links mittels Kraft F₂ > 0 gerade gebogen und horizontal herausgeführt wird. In der Draufsicht im Bild rechts erscheinen die Mulden bzw. Kalotten 10 mit konvexer Krümmung und die Falten bzw. Wülste 8, 9 mit konkaver Krümmung. Der Querschnitt A1-A1 im Bild rechts unten entspricht also dem Querschnitt der Materialbahn 2 nach dem Austritt der Vorrichtung inklusive dem Biegen mittels der Kraft F₂ > 0 in die ebene Gestalt im Bild links. Es folgt nun die Beschreibung der Strukturbildungen, die schrittweise entstehen: Im Bild links drücken konvex gerundete Druckelemente 3, angeordnet auf einer Druckelementwalze 4, abschnittweise gegen eine glatte Materialbahn 1 und gegen die Stützelemente 5 und 6, angeordnet auf der Stützelementenwalze 7. Durch partielles Aussparen von Druckelementen 3 auf der Druckelementwalze 4 entstehen die tief wölbförmigen Mulden bzw. Kalotten 10 und Falten bzw. Wülste 8, 9 nicht durchgängig, wie in der bekannten DE 10 2010 034 076 B3 (dort 1). In 1, gemäß dem neuen Verfahren, wird zunächst in einer Übersicht beschrieben, wie nach der Erfindung mit Hilfe von partiell ausgesparten Druckelementen 3 von selbst firstförmige Erhebungen 14 mit jeweils einer partiellen Falte 12 gebildet werden, die sich mit den benachbarten Falten bzw. Wülsten 8a zu einer gemeinsamen, durchgängigen Höhenlinie zusammenschließen. Dieser Vorgang ist komplex und wird in der 1 nur einleitend und dann in den folgenden 2 bis 7 weiter im Detail beschrieben. Die Materialbahn 1 hebt sich in 1, Bild links, am Eintritt 13 in die Vorrichtung, d. h. kurz vor dem Eingriff der Stützelemente 5, von den Druckelementen 3 der Druckelementwalze 4 etwas ab, so dass eine etwa S-förmige Gestalt in der Materialbahn 1 entsteht. Die Stützelemente 5, die auf der Stützelementenwalze 7 axial, d. h. quer zur Laufrichtung der Materialbahn, angeordnet sind, bilden die Falten bzw. Wülste 8 quer zur Materialbahn 2 aus. Diese Falten bzw. Wülste 8 sind in 1, Bild rechts oben, in einer Draufsicht auf die Materialbahn 2 zu erkennen. Die Stützelemente 6, die zick-zackförmig auf dem Umfang der Stützelementenwalze 7 angeordnet sind (in Bild links lediglich als kreisrunde Sichtkante 6 sichtbar) bilden die zick-zackförmigen Falten bzw. Wülste 9 in Laufrichtung der Materialbahn 2 aus, wobei der zick-zackförmige Verlauf in der Draufsicht im Bild rechts oben zu sehen ist. Die Vorrichtung in 1 unterscheidet sich also wesentlich von der DE 10 2010 034 076 B3 (insbesondere von der 1 der DE 10 2010 034 076 B3 ) dadurch, dass in Laufrichtung der Materialbahn 2 abschnittweise tief wölbförmig strukturierte Mulden bzw. Kalotten 10 ausgespart werden. Das geschieht durch eine abschnittweise Aussparung von einzelnen oder mehreren, axial auf der Druckelementwalze 4, d. h. quer zur Laufrichtung der Materialbahn angeordneten Druckelementen 3. 1 zeigt im Bild links eine zeitliche Momentaufnahme t = t₂, wo sich die Materialbahn zwischen der Druckelementwalze 4 und der Stützelementenwalze 7 befindet, jedoch dort gerade kein Druckelement 3 im Eingriff ist und deshalb an diesem Ort der bewegten Materialbahn 11 die Materialbahn keine tief wölbförmig strukturierte Mulde bzw. Kalotte erhält. Die Materialbahn an diesem Ort 11 weist zu diesem Zeitpunkt (t = t₂) nur eine geringe konkave Krümmung auf, welche etwa der Krümmung der umlaufenden, zick-zackförmigen Stützelemente 6 der Stützelementenwalze 7 entspricht. Die Falte 12 in der Materialbahn in 1, Bild links, entstand zu einem früheren Zeitpunkt (t = t₁), als sich dieser Ort der Materialbahn im Auslauf der Druckelementwalze 4 und der Stützelementenwalze 7 befand und ebenfalls dort gerade kein Druckelement 3 im Eingriff war (näheres siehe 2). Am Ort der Falte 12 in 1, Bild links würde man eigentlich ebenfalls eine geringe konkave Krümmung erwarten, wie dieses bei dem Ort 11 zu sehen ist. Das ist jedoch nicht der Fall, wie das Experiment zeigt. Denn der Querschnitt A1-A1 im Bild rechts unten, der aus dem Schnitt A1-A1 der Materialbahn 2 in Draufsicht (im Bild rechts oben) entsteht, zeigt anstatt einer geringen konkaven Krümmung eine firstförmige Erhöhung 14 mit der konvexen Falte 12. (Die Ursache hierfür wird in den folgenden 2 bis 7 näher beschrieben). Der Schnitt A2-A2 in 1, Bild rechts, ergibt sich bei einer zeitlichen Momentaufnahme (t = t₀) der Materialbahn in der Vorrichtung in Bild links wie beim Schnitt A1-A1, wobei jedoch der Querschnitt durch die Materialbahn 2 um eine Strukturreihe axial nach vorne gezeigt wird und im Bild rechts oben als A2-A2 in Draufsicht und im Bild rechts unten als A2-A2 als Querschnitt erscheint. Im Bild links wurde auf eine explizite Darstellung, wobei sich ein Stützelement 5 entsprechend dem Querschnitt A2-A2, Bild rechts, gerade im Eingriff befindet, vereinfachend verzichtet. Es folgt nun einleitend eine kurze Beschreibung, wie sich die firstförmigen Erhöhungen 14 mit den partiellen Falten 12 mit Hilfe von ausgesparten Druckelementen 3 durch eine Hebelwirkung beim Biegen der strukturierten Materialbahn 2 in die ebene, d. h. gerichtete, Gestalt bildet. Die vorzugsweise partiell tief wölbförmig strukturierte Materialbahn 2 ist unmittelbar nach dem Strukturierungsvorgang bestrebt, sich eng an die Stützelementenwalze 7 anzuschmiegen (F₁ = 0 in Bild links). Zwecks Richten in die ebene Gestalt wird die Materialbahn 2 während des Strukturierungsvorgangs durch eine äußere Kraft F₂ > 0 von der Stützelementenwalze 7 weg gebogen. Die Kraft F₂ > 0 und die so erzeugte Hebelwirkung haben in dreifacher Hinsicht eine besondere Bedeutung für den Strukturierungs- und Richtprozess: erstens für die Schonung des Werkstoffes der Materialbahn im Bereich der gebildeten Wülste bzw. Falten 8, 9 und der vorzugsweise tief wölbförmig eingebrachten Mulden bzw. Kalotten 10 (analog zur 1 in der DE 10 2010 034 076 B3 ), zweitens für die Ausbildung der partiellen Falten 12 und drittens für die Ausbildung einer durchgängigen Höhenlinie quer zur Laufrichtung der Materialbahn 2. Dabei bildet sich die durchgängige Höhenlinie dadurch, dass sich bei der Krafteinwirkung F₂ > 0 jeweils im Bereich der Materialbahn 2, wo kein Druckelement 3 eingreift, eine partielle Falte 12 ausbildet und gleichzeitig die jeweils quer zur Laufbahn der Materialbahn angrenzenden Falten bzw. Wülste 8 senkrecht, d. h. in Normalen-Richtung zur Materialbahn, angehoben (gekennzeichnet mit 8a) werden und sich diese angrenzenden Falten (8a und 12) zu einer durchgängigen Höhenlinie verbinden. Diese Vorgänge werden in den 2 bis 7 näher erläutert und begründet.
• 2 zeigt schematisch im Bild links den Querschnitt durch den Aufbau der Vorrichtung gemäß 1, jedoch zu einem nur sehr wenig späteren Zeitpunkt t = t₂ + Δt, wobei Δt die Zeitdifferenz angibt, in der sich die Druckelementwalze 4 bzw. die Stützelementenwalze 7 in 2 gegenüber der Druckelementwalze 4 bzw. die Stützelementenwalze 7 in 1 nur geringfügig gedreht hat. Die Draufsicht und Querschnitte im Bild rechts sind in 2 ebenfalls zu diesem geringfügig späteren Zeitpunkt t = t₂ + Δt dargestellt. Aus der DE 10 2010 034 076 B3 ist bereits bekannt, dass insbesondere beim Werkstoff schonenden Herstellen einer tief wölbförmig strukturierten Materialbahn eine vergleichsweise große Raffung in Laufrichtung der Materialbahn (Größenordnung bis zu ca. 4%) auftritt. Das Bilden der partiellen Falten 12 und firstförmigen Erhebungen 14 lässt sich aus unterschiedlichen örtlichen Spannungszuständen der Materialbahn 2 erklären: Infolge der verschiedenen Vorgänge beim Entstehen der tief wölbförmigen (konvexen) Mulde bzw. Kalotte 10 einerseits und des Bereichs mit der geringen konkaven Krümmung 11 andererseits, kann sich die Materialbahn während des Rotierens der Druckelementwalze 4 und der Stützelementenwalze 7 in ihrer Laufrichtung in unterschiedlicher Weise deformieren (wird in 5 eingehender erläutert). Dadurch werden sowohl örtliche Membran-Druckbereiche (durch sogenannte negative Normalkräfte) als auch örtliche Membran-Zugbereiche (durch sogenannte positive Normalkräfte) in der Materialbahn aufgebaut (wird in den 6 und 7 eingehender erläutert), was für die Ausbildung der firstförmigen Erhebung 14 mit der partiellen Falte 12 wichtig ist. Eingeleitet wird dieser Vorgang durch die bereits aus der DE 10 2010 034 076 B3 bekannten Hebelwirkung, jedoch in einem anderen Zusammenhang: Hierbei drückt ein Stützelement 5 mit der Kraft F₈ gegen die Materialbahn 1 und erzeugt mit der entgegen gerichteten Kraft F₇ des Druckelementes 3 und der bereits aus 1 bekannten Kraft F₂ > 0 eine Hebelwirkung, wodurch der schwach gekrümmte Bereich 11 (gestrichelt gekennzeichnet in dem Querschnitt A1-A1 in 2, rechts unten) der Materialbahn örtlich in eine Gegenkrümmung umschlägt und dadurch eine firstförmige Erhöhung 14 mit einer partiellen Falte 12 bildet. Hierbei ist zu beachten, dass diese schwache Krümmung im Bereich 11 (in 1) deutlich geringer ist, als die Krümmung der benachbarten tief wölbförmigen Mulden bzw. Kalotten 10. Denn eine schwach gekrümmte Schale schlägt mit viel geringerer Kraft und Energie in die Gegenkrümmung um als eine stark gekrümmte Schale.
• 3 zeigt schematisch im Bild links den Querschnitt durch den Aufbau einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung einer partiell tief wölbförmig strukturierten Materialbahn 2 analog zu 2, wobei jedoch die Aussparung der Druckelemente 3 jeweils in axialer Richtung der Druckelementwalze 4 nicht vollständig (wie in 1 und 2), sondern nur in einem Teilbereich erfolgt. Der in Bild links dargestellte Querschnitt der Materialbahn entspricht dem Schnitt B1-B1 der Draufsicht und dem Querschnitt B1-B1 im Bild rechts. In Bild links ist der Querschnitt der Materialbahn, der dem Schnitt B2-B2 der Draufsicht und dem Querschnitt B2-B2 im Bild rechts entspricht, wo sich gerade ein Druckelement 3 im Eingriff befindet, nicht explizit dargestellt. Dieser Querschnitt B2-B2 entspricht dem Querschnitt der Materialbahn aus der DE 10 2010 034 076 B3 , wo keine Aussparungen von Druckelementen 3 existieren (siehe 4).
• 4 zeigt schematisch den Querschnitt durch den Aufbau einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung einer vollständig tief wölbförmig strukturierten Materialbahn 2 analog zur DE 10 2010 034 076 B3 (dort 1). Wie in der DE 10 2010 034 076 B3 beschrieben, erfolgt die Material schonende tiefe Ausformung der Mulden insbesondere durch ein vergleichsweise starkes Raffen (Größenordnung bis ca. 4% gegenüber ca. 1% bei dem bekannten Beul- bzw. Wölbstrukturieren) der Materialbahn in Längsrichtung („offener Durchschlag” während der Strukturierung) durch die Druckelemente 3. Hierbei erfolgt ein lokales Strecken mit moderater Ausdünnung der Wanddicke im Bereich der Kuppeln der Mulden bzw. Kalotten 10, wobei jedoch die Wanddicken im Bereich der Falten bzw. Wülste 8, 9 nicht verringert wird. Im Falle einer vollständig mit Druckelementen 3 versehenen Druckelementwalze 4 bewirken die Kräfte F₉ und F₁₀ gemeinsam mit der Kraft F₂ > 0, eine fortlaufende Bildung der Falten bzw. Wülste 8, 9 und der Mulden bzw. Kalotten 10 in der Materialbahn 2.
• 5 zeigt schematisch in einer weiter vereinfachten Darstellung den Querschnitt durch den Aufbau einer Vorrichtung zur Abwicklung einer glatten, d. h. nicht strukturierten Materialbahn im oberen Bild, einer mehrdimensional strukturierten, insbesondere tief wölbförmig strukturierten Materialbahn (ohne Aussparung von Druckelementen 3 analog 4) im mittleren Bild und einer partiell tief wölbförmig strukturierten Materialbahn 2 (analog zu 1 und 2) im unteren Bild. Die Stützelementenwalze 7 ist vereinfachend nur durch einen Kreis dargestellt. Auf die explizite Darstellung der Druckelementwalze 4 und der Druckelemente 3 wurde vereinfachend verzichtet. Mit Hilfe dieser drei unterschiedlichen Abwicklungen der Materialbahn von einer glatten Walze im oberen Bild, einer Stützelementenwalze 7 mit fortlaufend eingreifenden Druckelementen 3 der Druckelementwalze 4 analog 4 im mittleren Bild, und einer Stützelementenwalze 7 mit unterbrochen eingreifenden Druckelementen 3 der Druckelementwalze 4 analog 1 und 2 im unteren Bild werden die sich unterscheidenden globalen Raffungen der Materialbahn 2 vereinfachend dargestellt. Im Vergleich zur glatten Materialbahn (5, oberes Bild) raffen sich die tief wölbförmig strukturierten Materialbahnen (mittleres und unteres Bild) um den prozentualen Betrag ΔL/L₀ in der Größenordnung bis zu ca. 4%. Da beim Aufbiegen der partiell wölbförmig strukturierten Materialbahn 2 der schwach gekrümmte Bereich 11 (gestrichelt gezeichnet) von sehr steifen Falten bzw. Wülsten 8 und 9 und den tief wölbförmigen Mulden bzw. Kalotten 10 umgeben ist, wird dem Bereich 11 ebenfalls eine starke Raffung quasi aufgezwungen. Beim Aufbiegen der partiell strukturierten Materialbahn 2 in die ebene Gestalt findet die Verformung von dem schwach gekrümmten Bereich 11 zu der firstförmigen Erhöhung 14 mit der partiellen Falte 12 statt.
• 6 zeigt schematisch in den zwei Bildern links den Querschnitt durch den Aufbau einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung einer partiell tief wölbförmig strukturierten und gekrümmten Materialbahn 2 (d. h. bei F₁ = 0) und zwar zu demselben Zeitpunkt, aber an zwei unterschiedlichen Orten der Materialbahn 2 zwischen der Stützelementenwalze 7 und der Druckelementwalze 4. Diese sind gekennzeichnet durch die Querschnitte C1-C1 und C2-C2 der Materialbahn in den Bildern links, die den Schnitten C1-C1 und C2-C2 der Materialbahn in ihrer Draufsicht im Bild rechts entsprechen. Diese Draufsicht in 6, Bild rechts, ist – anstatt einer perspektivischen Draufsicht auf die gekrümmte Materialbahn der 6, Bilder links – vereinfachend als Draufsicht auf die abgewickelte Gestalt der Materialbahn 2 dargestellt. Die Schnitte C1-C1 und C2-C2 der Materialbahn in der Draufsicht im Bild rechts zeigen, dass sich der schwach konkav gekrümmte Bereich 11, wo kein Druckelement 3 im Eingriff ist, in unmittelbarer Nachbarschaft zu den tief wölbförmigen Mulden bzw. Kalotten 10 befindet, wo die Druckelemente 3 im Eingriff sind. Hierdurch treten örtlich (d. h. nicht nur global wie in 5) unterschiedliche Spannungszustände und somit unterschiedliche Deformationen auf. Wie bereits in 4 darauf hingewiesen, wird die Materialbahn 1 insbesondere durch das Andrücken der Druckelemente 3 gegen die Materialbahn 1 stark gerafft. Der Bereich 11 mit der schwach konkaven Krümmung ist von mehreren Falten bzw. Wülsten 8, 9 und den zugehörigen tiefen Mulden bzw. Kalotten 10 umgeben, so dass die starken Raffungen im Bereich der Mulden bzw. Kalotten 10 zu einer Stauchung des Bereiches 11 führen. Der Bereich 11 erfährt dadurch ebenfalls eine Raffung und baut zugleich als Reaktion darauf Druckspannungen (negative Normalspannungen) auf. Mit anderen Worten: der quasi eingesperrte schwach gekrümmte Bereich 11 der Materialbahn 2 wird durch den Strukturierungsvorgang auf Druck vorgespannt.
• 7 zeigt schematisch in Bild links oben den Querschnitt durch den Aufbau der Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung einer partiell tief wölbförmig strukturierten und von der Stützelementenwalze 7 etwas weg gebogenen Materialbahn 2 (d. h. bei F₂ > 0). Beim diesem Wegbiegen treten starke Biegekräfte auf, da insbesondere bei einer tief wölbförmig strukturierten Materialbahn 2 die in Laufrichtung der Materialbahn angeordneten Falten bzw. Wülste 9 ein großes Trägheitsmoment gegenüber Biegung aufweisen. Dadurch wird beim Wegbiegen der global konkav gekrümmten, strukturierten Materialbahn 2 ein starkes Moment M aufgebaut, das auch auf den bereits auf Druck vorgespannten schwach konkav gekrümmten Bereich 11 (wie eine schwach konkav gekrümmte kleine Schale, siehe 6) wirkt. Durch dieses Moment M steigen die Druckspannungen (negative Normalspannungen im schwach konkav gekrümmten Bereich 11, 6) stark weiter an. Hierdurch kommt es zu einem Durchschlag des schwach konkav gekrümmten Bereichs 11, wie ein Umklappen, von der konkaven Krümmung in eine konvexe Gegenkrümmung, woraus sich eine firstförmige Erhöhung 14 mit einer partiellen Falte 12 bildet. Diese partielle Falte 12 bildet sich aus der firstförmigen Erhöhung 14 aus, da erstens der schwach konkav gekrümmte Bereich 11 seitlich in einer zick-zackförmigen Randbedingung eines Sechsecks (der zick-zackförmigen Falten bzw. Wülste 9) fixiert wird, und zweitens infolge des starken Moments M zugleich die quer zur Laufrichtung der Materialbahn 2 angrenzenden, konkav gekrümmten Falten bzw. Wülste 8a aufgebogen und ebenfalls angehoben werden. Nach dem Richten der Materialbahn 2 in die ebene Gestalt, haben sich die gebildeten partiellen Falten 12 und die angrenzenden Falten bzw. Wülste 8a zu einer durchgehenden Höhenlinie zusammengeschlossen. Mit anderen Worten: Die stark unterschiedlichen Spannungen im Bereich der tief wölbförmigen Mulden bzw. Kalotten 10 einerseits und im Bereich der entgegengesetzt gekrümmten Kontur 11 wurden vorteilhaft genutzt, um eine durchgängige, einheitliche Höhenlinie zu erzeugen und um auf diese Weise in der partiell dreidimensional strukturierten, insbesondere partiell wölbförmig strukturierten Materialbahn 2 störende Verzüge zu vermeiden. Entlang dieser durchgängigen Höhenlinie können dann später sekundäre Umformungen, wie Kanten oder Sicken (siehe folgende 8 bis 16), vorteilhaft ebenfalls ohne Verzüge realisiert werden. Ohne diese durchgängige Höhenlinie wären konventionelle Umformprozesse wie Kanten oder Sicken nicht ohne Weiteres möglich.
• 8 zeigt schematisch den Querschnitt einer Vorrichtung für das Kanten einer vorzugsweise partiell strukturierten Materialbahn 2 nach der Erfindung mit Hilfe von Stempel 16 und Matrize 17, wobei nach dem Kanten die Kuppeln 10 zueinander weisen. Mittels der Kraft F₁₁ des Stempels 16 erfolgt die Formung des Biegewinkels. Dabei erfolgt das Kanten entlang den firstförmigen Erhebungen 14 bzw. den partiellen Falten 12 und den quer zur Laufrichtung der Materialbahn 2 angrenzenden Falten 8a, wobei die firstförmigen Erhöhungen 14 bzw. partiellen Falten 12 jeweils in die Gegenkrümmung umklappen (der Vorgang ist in 8 im Einzelnen nicht explizit dargestellt). 8 links zeigt den Stempel 16 und die Matrize 17 im Eingriff der partiell strukturierten Materialbahn 2 nach vollzogener Kantung, die im Bereich der Falte 8a erfolgte. 8 Bild rechts, zeigt die zeitgleiche Umformsituation nach vollzogener Kantung, die im Bereich der firstförmigen Erhöhung 14 bzw. partiellen Falte 12 erfolgte (in 8 nicht sichtbar). Die Umformung mittels Stempel 16 und Matrize 17 kann mit einer konventionellen Abkantpresse erfolgen.
• 9 zeigt, analog zur 8, schematisch den Querschnitt einer Vorrichtung für das Kanten einer vorzugsweise partiell dreidimensional strukturierten Materialbahn 2 nach der Erfindung mit Hilfe von Stempel 16 und Matrize 17, wobei nach dem Kanten die Falten bzw. Wülste 8, 9 zueinander weisen. Mittels der Kraft F₁₂ des Stempels 16 erfolgt die Formung des Biegewinkels. Dabei erfolgt das Kanten entlang der firstförmigen Erhebungen 14 bzw. der partiellen Falten 12 und den quer zur Laufrichtung der Materialbahn 2 angrenzenden Falten 8a, wobei die Krümmungen der firstörmigen Erhöhungen 14 bzw. partiellen Falten 12 noch verstärkt ausgebildet werden (in 9 nicht explizit dargestellt;. 9, Bild links zeigt den Stempel 16 und die Matrize 17 im Eingriff der partiell strukturierten Materialbahn 2 nach vollzogener Kantung, die im Bereich der Strukturfalte 8a erfolgte. 9, Bild rechts zeigt die zeitgleiche Umformsituation nach vollzogener Kantung, die im Bereich der firstörmigen Erhöhung 14 bzw. partiellen Falte 12 erfolgte. Die Umformung mittels Stempel 16 und Matrize 17 kann mit einer konventionellen Abkantpresse erfolgen.
• 10 zeigt schematisch den Querschnitt einer Vorrichtung für das Kanten einer vorzugsweise partiell wölbförmig strukturierten Materialbahn 2 nach der Erfindung mit Hilfe einer Schwenkbiegevorrichtung, wobei nach dem Kanten die Kuppeln 10 zueinander weisen. Die beispielsweise partiell wölbförmig strukturierte Materialbahn 2 ist zwischen der Oberwange 18 und der Unterwange 19 fixiert, wobei hilfsweise ein Abstandshalter 20 dafür sorgt, dass die Mulden bzw. Kalotten 10 nicht eingedrückt werden. Mittels des Momentes M der Biegewange 21 erfolgt die Formung des Biegewinkels. Dabei erfolgt das Kanten gemeinsam entlang der firstörmigen Erhebungen 14 bzw. der partiellen Falten 12 und den angrenzenden Falten bzw. Wülsten 8a, wobei die firstförmigen Erhöhungen 14 bzw. partiellen Falten 12 jeweils in die Gegenkrümmung umklappen (in 10 nicht explizit dargestellt). 10 Bild links zeigt die Ober- und Unterwange 18, 19 sowie die Biegewange 21 im Eingriff nach der Kantung, die im Bereich der Falten bzw. Wülste 8a erfolgte. 10 Bild rechts zeigt die zeitgleiche Umformsituation nach vollzogener Kantung, die im Bereich der firstförmigen Erhöhungen 14 bzw. partiellen Falten 12 erfolgte. Die Umformung kann mittels einer konventionellen Schwenkbiegemaschine und einem angepassten Anstandshalter 20 erfolgen. Auf eine entsprechende explizite Darstellung der Querschnitte der Vorrichtung einer Schwenkbiegevorrichtung, wobei nach dem Kanten die Falten bzw. Wülste 8a, 9 zueinander weisen, wurde vereinfachend verzichtet.
• 11 zeigt schematisch im Querschnitt eine Vorrichtung mit Stempel 22 und Matrize 23 zur sekundären Umformung einer vorzugsweise partiell wölbförmig strukturierten Materialbahn 2 entlang der firstörmigen Erhebungen 14 bzw. der partiellen Falten 12 und den quer zur Laufrichtung der Materialbahn 2 angrenzenden Falten 8a, um einen Bereich mit einer neuen gemeinsamen, durchgängigen Teilfläche, bestehend aus der Teilfläche 24 (Bild links) und der Teilfläche 8b (Bild rechts) herzustellen. Die firstförmigen Erhebungen 14 klappen dabei in die Gegenkrümmung um und werden gleichzeitig etwas gestaucht, und die partiellen Falten 12 werden eingeebnet, so dass sich angenähert ebene bzw. schwach konkav gekrümmte Teilbereiche 24 (in Draufsicht auf die Mulden bzw. Kalotten 10) ergeben (11, Bilder links). Die Falten bzw. Wülste 8a werden zu tieferen Falten bzw. Wülsten 8b (11, Bilder rechts) geformt, die in ihrem Grund eine ebene Teilfläche aufweisen. Vereinfachend kennzeichnen jeweils die Zustellkraft F = 0 den Zustand vor dem Andrücken des vorzugsweise durchgängigen Stempels 22 gegen die Materialbahn 2 und gegen die Matrize 23 und die Zustellkraft F > 0 den Zustand nach dem Andrücken des durchgängigen Stempels 22 gegen die Materialbahn 2 und gegen die Matrize 23. Mit Hilfe eines Stempels 22 mit ebener Stirnfläche (wie beispielhaft in 11 dargestellt), erhalten die Falten bzw. Wülste 8b eine schmale ebene Kontur, wodurch quer zur Materialbahn 2 eine durchgängige, ebene Teilfläche geschaffen wird, wobei die Breite der Teilfläche der Materialbahn 2 etwa der Breite des eingreifenden Stempels 22 entspricht. Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass eine partiell vorzugsweise tief wölbförmig strukturierte Materialbahn 2 nach diesem Umformvorgang einen flachen Biegewinkel annehmen kann. Die ebenen Teilbereiche können je nach partieller wölbförmigen Strukturierung und Gestaltung von Stempel und Matrize entweder einen durchgängigen Teilbereich über die gesamte Breite der Materialbahn 2 oder über einen Teilbereich der Breite der Materialbahn 2 einnehmen.
• 12 zeigt, analog zu 11, schematisch im Querschnitt eine Vorrichtung, jedoch mit einem breiter ausgeführten Stempel 25 und mit der Matrize 23, zur sekundären Umformung einer vorzugsweise partiell tief wölbförmig strukturierten Materialbahn 2, um einen Bereich mit einer neuen gemeinsamen, durchgängigen Höhenlinie mit einer durchgängigen ebenen Teilfläche bei guter Planlage der Materialbahn 2 auszustatten. Ein denkbar auftretender, unerwünschter flacher Biegewinkel wird durch den in seinem oberen Bereich breiter ausgeführten Biegestempel 25 wieder zurückgebogen. Auf der Unterseite des breiteren oberen Bereiches des Biegestempels 25, d. h. zwischen der Anlagefläche des Stempels 25a und der Materialbahn 2 kann zusätzlich eine elastomere Schicht positioniert werden (in 12 nicht explizit dargestellt), um zu verhindern, dass ein starrer Stempel 25 beim Umformvorgang insbesondere die Oberflächengüte der Materialbahn 2 beeinträchtigt oder sogar die Materialbahn 2 lokal eindrückt.
• 13, zeigt analog 11, schematisch im Querschnitt eine Vorrichtung mit einem Stempel 26, jedoch mit zusätzlichem Niederhalter 27, und mit der Matrize 23 zur sekundären Umformung einer vorzugsweise partiell wölbförmig strukturierten Materialbahn 2, um einen Bereich mit einer neuen gemeinsamen, durchgängigen Höhenlinie mit einer durchgängigen ebenen Teilfläche auszustatten. Dadurch erhält die partiell vorzugsweise wölbförmig strukturierte Materialbahn 2 eine gute Planlage. Vor dem Eingriff des Stempels 26 fahren die Niederhalter 27 zu und fixieren die Materialbahn 2 in ihrer horizontalen Position. Die Niederhalter 27 können zusätzlich mit einem elastischen Material (z. B. Elastomerschicht) ausgestattet sein, damit insbesondere die Oberflächengüte der Materialbahn 2 nicht beeinträchtigt wird oder die Materialbahn 2 sogar lokal eingedrückt wird (in 13 nicht explizit dargestellt). Diese Vorrichtung kann Teil eines Werkzeuges für eine Tiefziehpresse sein, in dem mehrere dieser Vorrichtungen/Umformeinheiten integriert sind, um mit einem Werkzeughub eine oder mehrere durchgängige Teilbereiche zu erzeugen (in 13 nicht explizit dargestellt). Diese Teilbereiche können einerseits quer zur Fertigungsrichtung der Materialbahn 2 durchgängig oder andererseits quer zur Materialbahn nicht durchgängig, also lediglich in Teilbereichen eingebracht werden (in 13 nicht explizit dargestellt).
• 14 zeigt schematisch im Querschnitt eine Vorrichtung zum sekundären Sicken einer partiell vorzugsweise tief wölbförmig strukturierten Materialbahn 2 quer zu ihrer Laufrichtung. Hierbei werden die firstförmigen Erhöhungen 14 mit der partiellen Falte 12 in eine Sicke 31 (14, Bilder links) und die aufgebogenen Falten bzw. Wülste 8a ebenfalls zu einer Sicke 31 (11, Bilder rechts) geformt. Hierfür kennzeichnen jeweils die Zustellkraft F = 0 den Zustand vor dem Andrücken des vorzugsweise durchgängigen Stempels 28 gegen die Materialbahn 2 und gegen die sickenförmige Matrize 29 und die Zustellkraft F > 0 den Zustand nach dem Andrücken des durchgängigen Stempels 28 gegen die Materialbahn 2 und gegen die Matrize 29, die eine Kontur entsprechend der Sicke 31 aufweist, an. Mit Hilfe des vorzugsweise durchgängigen Stempels 28 erhält die Materialbahn 2 eine durchgängige Sicke 31 quer zu ihrer Laufrichtung. In einer weiteren Ausgestaltung ist sind der Stempel 28 und die Matrize 29 nicht durchgängig quer zur Materialbahn 2 angeordnet, so dass lediglich Teilbereiche der Materialbahn 2 mit einer Sicke 31 quer zur Laufrichtung der Materialbahn 2 ausgestattet werden (in 14 nicht explizit dargestellt).
• 15 zeigt, analog zu 14, schematisch den Querschnitt einer Vorrichtung zum sekundären Sicken einer partiell vorzugsweise wölbförmig strukturierten Materialbahn 2, jedoch mit Verwendung zusätzlicher Niederhalter 34. Die Niederhalter 34 können mit einer zusätzlichen Elastomerschicht ausgestattet sein (in 15 nicht explizit dargestellt). Diese Vorrichtung kann der Teil eines Werkzeuges für eine Tiefziehpresse sein, in der mehrere dieser Vorrichtungen/Umformeinheiten integriert sind, um mit beispielsweise einem Werkzeughub eine oder mehrere durchgängige Teilbereiche zu erzeugen (in 15 nicht explizit dargestellt). Diese Teilbereiche können einerseits durchgängig quer zur Laufrichtung der Materialbahn 2 oder andererseits nicht durchgängig quer zur Laufrichtung der Materialbahn, also lediglich in Teilbereichen, eingebracht werden (in 15 nicht explizit dargestellt).
• 16 zeigt schematisch den Querschnitt durch eine vorzugsweise partiell tief wölbförmig strukturierte Materialbahn 2, die zu einem etwa trapezförmigen Bauteil weiterhin sekundär umgeformt wurde. Im mittleren Bereich wurde die partiell wölbförmig strukturierte Materialbahn 2 zunächst mit zwei Sicken, analog 14 und 15, in einem sekundären Umformschritt ausgestattet. Dann wurden die Bereiche der Sicke 31 (aus 14 und 15) mit Hilfe einer Vorrichtung analog 8 zu dem Biegewinkel, beispielsweise 120°, gekantet. Hierbei drückt der Stempel 16 in 8 gegen die Innenseite der Sicke 31, wobei beispielsweise die Gestalt der gekanteten Sicke 35, 36 in 16 gebildet wird. 16, Bild oben, zeigt den Bereich der Sicke, wo sich der Stempel 16 analog 8, Bild links, im Eingriff befand und die umgeformte Sicke 35 gebildet wird. 16, Bild unten, zeigt den Bereich der Sicke, wo sich der Stempel 16 analog 8, Bild rechts, im Eingriff befand und die umgeformte Sicke 36 gebildet wird. Auf die explizite Darstellung dieser Vorrichtung zum Kanten der Sicke wurde vereinfachend in 16 verzichtet, da dem Fachmann die Analogie zu den Vorrichtungen in 8, 14, 15 und dem konventionellen Kanten vertraut ist. 16, Bild oben, zeigt die zwei gekanteten Bereiche 37, die mit Hilfe einer Vorrichtung analog 9 gekantet wurden, wobei die Sicken 37 analog den Sicken 35 aber in entgegengesetzter Richtung gekantet werden. Auf eine explizite Darstellung der Vorrichtung zum Kanten wurde in 16 ebenfalls vereinfachend verzichtet. 16, Bild oben, zeigt den Bereich der Sicke, wo sich der Stempel 16 analog 8, Bild links, im Eingriff befindet. Experimentelle Untersuchungen zum sekundären Umformen entsprechend 16 haben gezeigt, dass sich konventionelle Abkantwerkzeugen und Maschinen verwenden lassen, um beispielsweise eine partiell tief wölbförmig strukturierte Materialbahn 2 verzugsfrei zu einem trapezförmigen Bauteil umzuformen und dann auch für sandwichartige Bauteile zu verwenden (siehe auch die folgenden 17, 18). In einer weiteren Ausgestaltung gemäß der Erfindung lassen sich diese sekundären Umformungen auch vorzugsweise in einem Folgeverbundwerkzeug, alternativ in einem einzelnen Werkzeug mit Hilfe einer Presse realisieren (in 16 nicht explizit dargestellt).
• 17 zeigt schematisch in zwei Querschnitten eine vorzugsweise partiell wölbförmig strukturierte Materialbahn 2, die zu einem Trapezprofil abgekantet wurde und dann mit einem entsprechend trapezförmig gekanteten Glattblech 43 zu einem versteiften Verbundbauteil gefügt wurde. Die beiden Querschnitte im oberen und unteren Bild geben verschiedene Positionen an, wo beispielsweise der Stempel 16 (in 8 oder 9) entweder im Bereich der Falten bzw. Wülste 8a (17, Bild oben) oder im Bereich der firstförmigen Erhöhungen 14 bzw. partiellen Falten 12 gegen die Materialbahn 2 drückt (17, Bild unten). Diese partiell wölbförmig strukturierte und mehrfach gekantete Materialbahn 2 ist mit einem entsprechend gekanteten Glattblech 43 gefügt. Die schematisch mit einem schwarzen Punkt gekennzeichneten Fügepunkte 39, 40, 41 und 42 stellen exemplarisch punkt- oder linienförmige Schweißungen, Verklebungen oder Verschraubung bzw. Vernietung dar. Die Kantungen der partiell wölbförmig strukturierten Materialbahn 2 sind bei der Kantung 39 gemäß der Kantung in 9 und bei der Kantung 40 gemäß der Kantung in 8 hergestellt.
• 18 zeigt schematisch in zwei Querschnitten eine vorzugsweise partiell wölbförmig strukturierte Materialbahn 2, die gemäß 16 zu einem Trapezprofil mit sickenförmigen Kantungen (35, 36, 37, 38 in 16) versehen wurde und dann mit einem entsprechend trapezförmig gekanteten Glattblech 48 zu einem versteiften Verbundbauteil gefügt wurde. Die Bereiche 44 und 45 im oberen Bild und die Bereiche 46 und 47 im unteren Bild geben verschiedene Positionen an, wo beispielsweise die partiell wölbförmig strukturierte Materialbahn 2 mit dem gekanteten Glattblech verbunden ist. Die schematisch mit einem schwarzen Punkt gekennzeichneten Fügepunkte 44, 45, 46 und 47 stellen exemplarisch punkt- oder linienförmige Schweißungen, Verklebungen oder Verschraubung bzw. Vernietung dar. Somit ergibt sich nach dem Fügen ein definierter Abstand zwischen dem Glattblech und der partiell strukturierten Materialbahn, welcher durch die Sickentiefe einstellbar ist. Mit Hilfe der sickenförmigen Kontur im Bereich der Biegekanten erhält das gefügte Verbundbauteil eine hohe Steifigkeit und ferner eine definiert Abstand haltende Position des strukturierten Blechteils und des glatten Blechteils, die beispielsweise für einen trapezförmigen Kanalwärmetauscher genutzt werden kann.
• Ein analoges Prinzip wird später für ein gebogenes, beispielsweise zylindrisch gebogenes Blechbauteil, z. B. für die Verwendung als Wärmeübertragerwand beispielsweise eines Kanalwärmetauschers schematisch in 24 dargestellt.
• 19 zeigt schematisch eine Draufsicht auf eine vorzugsweise tief wölbförmig strukturierte Blechplatine 49 mit einer versetzten Anordnung der Bereiche mit durchgehender Höhenlinie. Die durchgehenden Höhenlinien setzen sich aus den partiellen Falten 12 der firstförmigen Erhöhungen 14 und den aufgebogenen Falten bzw. Wülsten 8a zusammen. Die Bereiche der einheitlichen Höhenlinien können, wie in 19 dargestellt, versetzt aber auch vollständig quer zur Blechplatine 49 angeordnet werden (in 19 nicht explizit dargestellt; analog 1, rechtes Bild). In einer weiteren Ausgestaltung gemäß der Erfindung können auch einzelne, nicht zusammenhängende Teilbereiche mit einheitlichen Höhenlinien ausgestattet werden (in 19 nicht explizit dargestellt). Die Platinen 49 können nach der Erfindung beispielsweise dafür verwendet werden, um nach dem Verbinden mit einem Glattblech als stark verwirbelnder Strömungskanal (allerdings mit erhöhtem Strömungsdruckverlust), wie für einen Wärmetauscher, oder als ein steifes Bauelement zu dienen.
• 20 zeigt analog zu 19, schematisch eine Draufsicht im oberen Bild und einen entsprechenden Querschnitt D1-D1 im unteren Bild einer vorzugsweise tief wölbförmig strukturierten Blechplatine 50 mit einer versetzten Anordnung der Bereiche mit einheitlicher Höhenlinie, wobei jedoch die Bereiche der durchgehenden Höhenlinien mit Hilfe eines durchgehenden Stempels 22 aus 11 oder Stempels 25 aus 12 oder Stempels 26 mit Niederhalter 27 aus 13 zu einer schmalen, ebenen Teilfläche sekundär umgeformt wurden. Hierbei ergeben sich ebene Teilflächen 51, die z. B. für das Fügen mit einer Anschlusskonstruktion besonders gut geeignet sind. Ansonsten sind hier nach der Erfindung die entsprechenden gleichen Merkmale wie in der Ausführung zu 19 gültig.
• 21 zeigt analog zu 20, schematisch eine Draufsicht im oberen Bild und einen weiteren Querschnitt E1-E1 im unteren Bild einer vorzugsweise tief wölbförmig strukturierten Blechplatine 52 mit einer versetzten Anordnung der Bereiche mit einheitlicher Höhenlinie und sehr schmalen ebenen Teilflächen 51, wobei zusätzlich im Bereich der seitlichen Ränder der Platine 52 noch Feinstrukturen 53, beispielsweise mit einer wellenförmigen Kontur, eingebracht werden. Nach der Erfindung ist das Einbringen der beispielsweise wellenförmigen Feinstrukturen 53 auch für eine tief wölbförmig strukturierte Materialbahn 2 durchführbar, obwohl die Raffung hierbei deutlich größer ist als bei der beul- bzw. wölbstrukturierten Materialbahn. Auf eine explizite Darstellung der Vorrichtung zum Formen der Feinstrukturen 53 wurde in 21 verzichtet, da diese dem Fachmann prinzipiell aus der DE 10 2008 056 521 B3 mit dem Hinweis auch auf die Vorteile einer einfachen Fügbarkeit bekannt ist. Ansonsten sind hier nach der Erfindung die entsprechenden gleichen Merkmale wie in der Ausführung zu 19 gültig. Im Gegensatz zur 20 sind in 21 der Anfangs- und Endbereich der Platine 52 (in Laufrichtung der Materialbahn 2) nicht strukturiert, also eben belassen. Analog dem bekannten Wölbstrukturieren ist dieses einfach zu bewerkstelligen, indem keine Druckelemente 3 während des Strukturierungsvorganges in diesen Bereichen gegen die Materialbahn drücken.
• 22 zeigt analog zu 20, schematisch eine Draufsicht im oberen Bild und einen weiteren Querschnitt F1-F1 im unteren Bild einer vorzugsweise tief wölbförmig strukturierten Blechplatine 54 mit einer versetzten Anordnung der Bereiche mit einheitlicher Höhenlinie, wobei der Bereich mit der durchgängigen Höhenlinie als Sicke 31 gebildet ist. Diese Sicke 31 wurde vorzugsweise in der Vorrichtung gemäß 14 oder 15 gebildet. Diese sekundär umgeformte Blechplatine 54 kann nach der Erfindung beispielsweise dafür verwendet werden, um nach dem Verbinden mit einem Glattblech als stromführenden Strömungskanal, wie für einen Wärmetauscher, oder als ein steifes Bauelement dienen (siehe auch 24). Die Bereiche der Sicken können einerseits wie in 22 versetzt aber auch vollständig quer zur Blechplatine 54 angeordnet werden (in 22 nicht explizit dargestellt). In einer weiteren Variante können auch lediglich einzelne, nicht zusammenhängende Teilbereiche mit Sicken ausgestattet sein (in 22 nicht explizit dargestellt), die z. B. als lokale Füge- bzw. Krafteinleitungsbereiche dienen können.
• 23 zeigt schematisch im Querschnitt in den Bildern a, b, c und d unterschiedliche Ausführungen von Verbünden aus einer vorzugsweise partiell tief wölbförmig strukturierten Materialbahnen 2, mit oder ohne Sicke, und aus angepassten glatten Materialbahnen 2, ebenfalls mit oder ohne Sicke. Die tief wölbförmig strukturierte Platine aus 23, Bild a ist nach dem Strukturieren beispielsweise gemäß 11, 12 oder 13 sekundär umgeformt worden, um die gemeinsame durchgängige Teilfläche aus den partiellen Falten 12 und den angrenzenden Falten bzw. Wülsten 8a zu erzeugen. Die tief wölbförmig strukturierte Platine aus 23, Bild b, 23, Bild c und 23, Bild d sind nach dem Strukturieren beispielsweise gemäß 14 oder 15 sekundär mit einer Sicke ausgestattet worden. Alle Ausführungsbeispiele können dazu dienen, definierte Stromführungen in unterschiedlicher Weise für einen Wärmetauscher, wie einen Kanalwärmetauscher, verfügbar zu machen. Die Ausführungsbeispiele in Bild a und Bild b sind insbesondere für einen Kanalwärmetauscher geeignet, wobei das (schmutzige) Abwasser auf der Wandseite mit den konvexen Wölbkuppen strömt (und das Wärmeträgerfluid, wie sauberes Wasser im Spalt strömt), und infolge der glatten Wandoberfläche und aufgrund der hohen örtlichen Strömungsgeschwindigkeiten sowohl ein Freispüleffekt von Feststoffpartikeln als auch ein vermindertes Fouling und ferner ein hoher konvektiver Wärmeübergang erzielt werden kann (siehe auch 24). Die Ausführungsbeispiele in Bild c und Bild d sind insbesondere für einen Wärmetauscher geeignet, wobei beispielsweise ein heißes Fluid auf beiden Seiten des spaltförmigen Kanals die Wärme bei hohem Wärmedurchgangskoeffizient an ein kälteres Fluid nach außen abgibt, oder auch umgekehrt.
• 24 zeigt schematisch im Querschnitt (Bilder links) und in der Draufsicht (Bilder rechts vereinfachend in Abwicklung dargestellt) ein zylindrisch gekrümmtes zweilagiges Bauteil, insbesondere den Ausschnitt eines Wärmetauschers, wie beispielsweise eines Kanalwärmetauschers, aus einer vorzugsweise partiell tief wölbförmig strukturierten Blechplatine 57 (Wärmeübertragerwand) mit ihren sekundär geformten schmalen Teilflächen 51, die mit einer ebenfalls zylindrisch gekrümmten und mit Sicken 59 ausgestatteten Glattblechplatine 58 gefügt ist. Die Fügebereiche sind schematisch als schwarze Punkte in den linken Bildern gekennzeichnet. Die vorzugsweise partiell tief wölbförmig strukturierte Blechplatine 57 wurde vorteilhaft in einer Vorrichtung gemäß 11 sekundär umgeformt, wobei der bereits gebildete kleine Biegewinkel in 11 leicht in die gewünschte zylindrische Krümmung der sekundär umgeformten Blechplatine 57 quasi weitergebogen werden kann. Im oberen Bild links (24) ist die Position dargestellt, wo die partiell umgeformten, sehr schmalen ebenen Teilbereiche gemäß 11, Bild rechts mit der Sicke 59 der Glattblechplatine 58 gefügt ist. Im unteren Bild links (24) ist die Position dargestellt, wo die partiell umgeformten Bereiche gemäß 11, Bild links mit der Sicke 59 der Glattblechplatine 58 gefügt ist. Die Bilder rechts (24) zeigen analog zu den Querschnitten in den Bildern links die vorzugsweise partiell tief wölbförmig strukturierte Blechplatine 57 (Bild rechts oben) sowie die mit Sicken 59 ausgestattete Glattblechplatine 59 (Bild rechts unten) jeweils in einer Draufsicht vor dem Zusammenbau in abgewickelter, d. h. nicht rundgebogener Gestalt. Die vorzugweise tief wölbförmig strukturierte Blechplatine 57 wurde analog der Blechplatine 52 in 21 hergestellt, wobei die schmalen ebenen Teilflächen 51 nicht durchgängig quer zur Materialbahn, sondern versetzt (für spätere Mäanderführung in der Wärmetauscherkammer) angeordnet sind. Die Feinstrukturen 53, die entsprechend 21 hergestellt wurden, ermöglichen ein dichtes Fügen der vorzugsweise partiell tief wölbförmig strukturierten Blechplatine 57 mit der Glattblechplatine 58 (in 24 ist dieser Fügebereich nicht explizit dargestellt). Ein dichtes Fügen der feinstrukturierten Bereiche der partiell tief wölbförmig strukturierten Materialbahn 2 mit einer Glattblechplatine ist in 21 bereits erwähnt. Die Sicken 59 in der Glattblechplatine 58 sind in analoger Anordnung zu den schmalen Teilflächen 51 der vorzugsweise tief wölbförmig strukturierten Blechplatine 57 angeordnet, so dass nach dem Fügen der beiden Blechplatinen 57 und 58 eine maanderförmige Stromführung (siehe schematisch angedeutete Pfeile in den Bildern rechts) für das strömende Fluid in der Wärmetauscherkammer, gebildet aus den beiden Blechplatinen 57 und 58, erreicht wird. Die Höhe der Sicken 59 wird vorzugsweise so eingestellt, dass einerseits eine starke Verwirbelung entlang der dreidimensionalen strukturierten Wandoberfläche und somit ein hoher konvektiver Wärmeübergang zustande kommt, und andererseits der Strömungsdruckverlust und somit die erforderliche Pumpleistung nicht überproportional im Vergleich zu einer glatten, d. h. nicht strukturierten Wärmeübertragerwand ausfällt. Die Sicken 60 in der Glattblechplatine 58 weisen etwa die gleiche Höhe der Sicken 59 auf, so dass erstens ein einfaches dichtes Fügen der beiden Blechplatinen 57 und 58 miteinander im Bereich der Feinstrukturen 53 und der Sicken 60 (zur Vermeidung von Leckströmen nach außen) und zweitens ein einfaches dichtes Fügen der schmalen ebenen Teilflächen 51 und der Sicken 59 miteinander (zur Vermeidung von unerwünschten Querströmen/„Kurzschlüsse” des Wärmeträgermediums zwischen der Mäanderführung) ermöglicht wird. Auf eine explizite konstruktive Ausführung der Zu- und Abströme des Fluides im Zwischenraum der Platinen 57 und 58 wurde verzichtet. Ein Verbinden der Randbereiche der beiden Blechplatinen 57 und 58 parallel zu den ebenen Teilbereichen 51 bzw. den Sicken 59 wird durch ebene Randbereiche analog zu 21 erleichtert, an dieser Stelle jedoch nicht näher ausgeführt. Bei Verwendung als beispielsweise Kanalwärmetauscher fließt das schmutzige Abwasser in ihrer Strömungsrichtung in Längsrichtung des Kanals (dargestellt durch das Symbol Kreis mit Kreuz als Pfeilende) vorzugsweise entlang der konvexen Seite der vorzugsweise tief wölbstrukturierten Mulden bzw. Kalotten 10. Vorzugsweise strömt das saubere Wasser, das die Wärme des (meistens wärmeren) Abwassers aufnimmt, in der Wärmetauscherkammer zwischen der strukturierten Platine 57 und der Glattblechplatine 58. Das saubere Wasser in der Wärmetauscherkammer des Kanalwärmetauschers strömt vorzugsweise mäanderförmig, d. h. abwechselnd in (dargestellt durch das Symbol Kreis mit Punkt als Pfeilspitze in den Bildern links) und entgegengesetzt (dargestellt durch das Symbol Kreis mit Kreuz als Pfeilende in den Bildern links) zur Strömungsrichtung des Abwassers. Analog sind die Stromführungen als Pfeile in den Bildern rechts als Draufsicht dargestellt. Beispielhaft ist die Wärmeübertragerwand 57 mit einer hexagonalen Struktur, gekennzeichnet durch die Schlüsselweite des Hexagons SW = 50 mm, einer Strukturtiefe von ca. 9 mm, der Breite der schmalen Teilfläche 51 der vorzugsweise tief wölbförmig strukturierten Blechplatine 57 von ca. 8 mm, der Breite der Sicke 59 in der Glattblechplatine 58 von ca. 20 mm und der Höhe der Sicke 59 von ca. 2 mm bis 3 mm, ausgestattet. Die vorzugsweise tief wölbförmig strukturierten Blechplatine 57 besteht vorzugsweise aus nicht rostendem Stahlblech, das während des Herstellungsprozesses der vorzugsweise partiell tief wölbförmig strukturierten Blechplatine 57 beidseitig mit einer Schutzfolie versehen ist, die aber vor dem Verbinden mit der Glattblechplatine 58 wieder entfernt wird.
• 25 zeigt schematisch den Querschnitt durch den Aufbau einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung einer partiell dreidimensional strukturierten, vorzugsweise tief wölbförmig strukturierten Materialbahn 2 aus dünnwandigem Glas. Da das Glas sich nur deutlich oberhalb der Glastemperatur, beispielsweise bei Borglas > 525°C umformen lässt, wird die Materialbahn 1 aus Glas beispielsweise über Rollen 73 in einem Durchlauferhitzer 70 auf die Temperatur > 525°C spannungsarm erwärmt. Der Durchlauferhitzer 70 ist mit Luftgebläsen 71 und Lufterhitzern 72 ausgestattet, um die Materialbahn 1 zu erwärmen. In der Strukturierungseinheit 74, die ebenfalls mit Luftgebläsen 71 und Lufterhitzern 72 ausgestattet ist, wird die erwärmte Materialbahn 1 aus Glas analog der Vorrichtung in 1 mit Hilfe der Druckelementwalze 4 und den abschnittweise angeordneten Druckelementen 3 und der Stützelementenwalze 7 und den Stützelementen 5, 6 mit vorzugsweise tief wölbförmigen Falten bzw. Wülsten 8, 9 und Mulden bzw. Kalotten 10 und den abschnittweise gebildeten firstförmigen Erhöhungen 14 und den partiellen Falten 12 ausgestattet. Aufgrund des gegenüber Metallen sehr unterschiedlichen Werkstoffverhaltens von Glas oberhalb der Glastemperatur kann die Bildung einer partiellen Falte 12 in den Hintergrund treten, mit anderen Worten ausbleiben. In der Kühleinheit 75, die mit Luftgebläsen 72 und Wärmetauschern 76 zur Abkühlung der zirkulierenden Luft ausgestattet ist, wird die heiße, vorzugsweise partiell tief wölbförmig strukturierte Materialbahn 2 aus Glas beispielsweise auf Raumtemperatur abgekühlt. Mit Hilfe der in 25 lässt sich auch eine vollflächig dreidimensional strukturierten, vorzugsweise tief wölbförmig strukturierte Materialbahn aus Glas herstellen, wobei keine Druckelemente 3 auf der Druckelementwalze 4 ausgespart werden.
• 26 zeigt, analog zur schematischen Darstellung der Strukturierungseinheit 74 in 25, den Aufbau einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung einer partiell dreidimensional strukturierten, vorzugsweise tief wölbförmig strukturierten Materialbahn 2 aus dünnwandigem Glas. Hierbei zeigt die 26 in einer Draufsicht die Druckelementwalze 4 und die abschnittweise angeordneten Druckelementen 3 sowie die Stützelementenwalze 7 und die Stützelemente 5, 6 und ferner im Querschnitt die umschließende Kammer der Strukturierungseinheit 74 (die Wärmeisolierung sowie die Luftgebläse 71 und Lufterhitzer 72 wurden vereinfachend nicht explizit dargestellt) sowie die Lagerungen 77 der Druckelementwalze 4 und die Lagerungen 78 der Stützelementenwalze 7. Zwecks thermischer Schonung der Lagerungen 77, 78 gegen Überhitzung derselben werden Kühlvorrichtungen installiert (vereinfachend nicht explizit dargestellt). Mit Hilfe einer Hubverstellung 79 (vereinfachend lediglich als Pfeil 79 dargestellt) wird der lichte Abstand zwischen der Druckelementwalze 4 mit den abschnittweise angeordneten Druckelementen 3 und der Stützelementenwalze 7 mit den Stützelementen 5, 6 definiert eingestellt und dadurch die Strukturtiefe der Mulden bzw. Kalotten 10 der vorzugsweise tief wölbförmig strukturierten Materialbahn 2 (die partiell strukturierte Materialbahn 2 ist vereinfachend in der 26 nicht explizit dargestellt) eingebracht. Bei der komplett strukturierten Materialbahn werden keine Druckelemente 3 auf der Druckelementwalze 4 ausgespart.
• 27 zeigt in den Bildern links eine modifizierte Vorrichtung in vereinfachter Darstellung zur Herstellung einer partiell strukturierten, vorzugsweise weniger tief wölbförmig strukturierten Materialbahn 79 mit abschnittweise eingebrachten ebenen Teilbereichen 81 und im Bild rechts eine Draufsicht auf die Materialbahn 80. Im Gegensatz zu den Vorrichtungen, beispielsweise in den 1 bis 7, werden mit Hilfe von zwei geometrisch angepassten Formwerkzeugen, wie Stempel und Matrize oder mit Hilfe eines geometrisch angepassten Formwerkzeuges und eines Wirkmediums (diese sind in 27 nicht explizit sondern nur schematisch dargestellt) die vorzugsweise weniger tief wölbförmigen Strukturen mit den Falten bzw. Wülsten, Mulden bzw. Kalotten sowie den ebenen Flächenbereichen mit den Teilflächen (analog den 1 bis 27 und ihren Ziffern) in die Materialbahn 80 eingebracht. Da bei diesem modifizierten Herstellungsprozess zum vorzugsweise weniger tief ausgeformten Strukturieren der Werkstoff der Materialbahn nicht oder nur unwesentlich nachfließen, d. h. raffen, kann, sind für diesen modifizierten Herstellungsprozess vorzugsweise duktile Werkstoffe geeignet, die über genügend Plastifizierungs- bzw. Dehnreserven verfügen. Der Vorteil dieses modifizierten Herstellungsprozesses gemäß der 27 besteht insbesondere darin, dass mit Hilfe der Vorrichtung gemäß der beispielsweise 1 hergestellten Materialbahn 2 die geeigneten Konturen der Topologie/Strukturierung – vorzugsweise mit etwas reduzierte Zustellkraft der Druckelementwalze 4 gegen die Materialbahn 1 und gegen die Stützelementenwalze 7 – gefunden werden können und dann in den Formwerkzeugen als Negativ-Konturen in 27 quasi nachgebildet werden können. Weitere Vorteile der Vorrichtung gemäß 27 besteht darin, dass erstens die ebenen Teilflächen direkt, d. h. ohne den Zwischenschritt der Schaffung einer firstförmigen Erhöhung 14 und der Falte 12 und der anschließenden Replattierung zu ebenen Teilflächen, eingebracht werden können, und zweitens insbesondere die Randbereiche der vollständig oder partiell strukturierten Materialbahn 80 in einfacher Weise eben gebildet werden können (in 27 nicht explizit dargestellt). Allerdings wird hierbei der Werkstoff der Materialbahn vergleichsweise hoch plastifiziert. Das kann vorteilhaft für eine Reihe von duktilen Werkstoffen, wie beispielsweise Tiefziehstahlblech, Edelstahlblech mit großen Dehnreserven, Thermoplasten (vorzugsweise bei erhöhter Temperatur) bis hin zu Glas, sein. Allerdings kann durch den eher flächigen Kontakt zwischen dem Formwerkzeug und der strukturierten Materialbahn die Oberflächengüte der eingesetzten Materialbahn (Halbzeug) leiden.
• 28 zeigt in einer perspektivischen Ansicht eines hergestellten dreidimensional strukturierten Bauteils 82 mit den Falten bzw. Wülsten 8, 9 und den Mulden bzw. Kalotten 10 beispielhaft in einer zylindrischen Gestalt. Auf eine explizite Darstellung der Bereiche mit den ebenen Teilflächen wurde vereinfachend verzichtet.

Claims (18)

1. Verfahren zum Herstellen einer partiell dreidimensional wölbförmig strukturierten Materialbahn (2), mit aneinander angeordneten Strukturen, mit Wülsten oder Falten (8, 9) und von den Wülsten oder Falten eingeschlossenen Kalotten oder Mulden (10), wobei in Laufbahnrichtung oder schräg zur Laufbahnrichtung angeordnete, Stützelemente (6) der Stützelementenwalze (7), und quer zur Laufbahnrichtung angeordnete Stützelemente (5) der Stützelementenwalze (7) partiell gegen die eine Seite der Materialbahn drücken, und wobei konvex gerundete, angepasste Druckelemente (3), die versetzt zwischen den Stützelementen angeordnet sind, gegen die andere Seite der Materialbahn drücken, und wobei die Druckelemente Kalotten oder Mulden ausformen, wobei durch eine biegende Umformung der Materialbahn die Wülste oder Falten in Laufbahnrichtung dadurch gebildet werden, dass die Materialbahn (2) nur partiell um die gekrümmten Stützelemente (5, 6) gebogen wird, wobei die Materialbahn durch eine äußere Belastung (2) von den gekrümmten Stützelementen (5, 6) gebogen wird und so eine Hebelwirkung aufgebaut wird, dadurch gekennzeichnet, dass in Laufrichtung der Materialbahn Druckelemente (3) ausgespart werden, wodurch eine negative Normalspannung in den von den Druckelementen ausgesparten Bereichen der Materialbahn aufgebaut wird, wobei beim Wegbiegen der Materialbahn von den Stützelementen (5, 6) in den von den Druckelementen ausgesparten Bereichen der Materialbahn ein Umklappen erfolgt und partielle Falten gebildet werden, und wobei die angrenzenden, quer zur Laufrichtung der Materialbahn angeordneten Falten bzw. Wülste (8a) aufgebogen und senkrecht zur Materialbahn angehoben werden, wodurch quer zur Laufrichtung der Materialbahn eine durchgängige Höhenlinie (12, 8a) gebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialbahn aus metallischen Werkstoffen, insbesondere nicht rostendem Stahl, Kunststoff oder aus Glas gebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Materialbahn aus duktilen Werkstoffen durch zwei Formwerkzeuge, wie Stempel und Matrize, oder ein Formwerkzeug und ein Wirkmedium gebildet wird, wobei die Kontur des Formwerkzeuges mit der Negativ-Kontur der dreidimensional strukturierten Materialbahn ausgestattet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Druckelemente (3) vollständig, abschnittweise oder einzeln quer zur Laufrichtung der Materialbahn ausgespart werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialbahn mit viereckigen, fünfeckigen, sechseckigen (5, 6) oder achteckigen Strukturen ausgestattet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rolle und eine entsprechende Gegenrolle mit den Negativ-Konturen einzubringender Feinstruktur-Konturen, oder ein Stempel und eine Matrize mit den Negativ-Konturen einzubringender Feinstruktur-Konturen gegen die Materialbahn drücken, wodurch eine Feinstruktur in Teilbereichen der Materialbahn gebildet wird.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
8. Partiell dreidimensional wölbförmig strukturierte Materialbahn (2), hergestellt nach einem der Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 6 mit aneinander angeordneten Strukturen, mit Wülsten oder Falten (8, 9) und von den Wülsten oder Falten (8, 9) eingeschlossenen Kalotten oder Mulden (10), wobei die strukturierte Materialbahn (2) in den von den Strukturen ausgesparten Bereichen der Materialbahn mit partiell gebildeten Falten bzw. Wülsten (12) ausgestattet ist und wobei angrenzende, quer zur Laufrichtung der Materialbahn (2) angeordneten Falten bzw. Wülste (8a) aufgebogen und senkrecht zur Materialbahn (2) angehoben sind, wodurch quer zur Laufrichtung der Materialbahn (2) eine durchgängige Höhenlinie (8a, 12) im Wesentlichen verzugsfrei gebildet ist, wobei die örtliche Wanddicke im Bereich der Falten bzw. Wülste (8, 9) der strukturierten Materialbahn (2) beibehalten ist und infolge starker Raffung, bis etwa 4%, der Materialbahn (2) in Laufrichtung der Materialbahn (2) große Plastifizierungsreserven des Werkstoffs der Materialbahn (2) existieren, wobei die Materialbahn (2) mehrdimensional versteift ist und wobei die Materialbahn (2) bei der Überströmung der Strukturen mit einem Fluid oder einer Suspension erhöhte örtliche Strömungsgeschwindigkeiten insbesondere der konvexen Kuppeln erzeugt, auch mit einem Freispüleffekt und vermindertem Fouling sowie mit einem verbesserten konvektiven Wärmeübergang bei einem konstanten Strömungsquerschnitt und bei sanften Rundungen der Kontur/Topologie.
9. Verfahren zum Herstellen einer partiell dreidimensional wölbförmig strukturierten Materialbahn (2) nach Anspruch 8, wobei nach dem Kanten die Kuppeln (10) zueinander weisen, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich der durchgängigen Höhenlinie (8a, 12) der Materialbahn (2) durch Stempel (16) bzw. Oberwange (18) und Matrize (17) bzw. Unterwange (19) und Biegewange (21) verzugsarm, d. h. ohne Instabilitäten und Verzüge, in die Kante geformt wird, wobei das Kanten entlang der firstförmigen Erhebungen (14) bzw. den partiellen Falten bzw. Wülsten (12) und den quer zur Laufrichtung der Materialbahn (2) angrenzenden Falten (8a) erfolgt, wobei die firstförmigen Erhöhungen (14) bzw. partiellen Falten bzw. Wülste (12) in die Gegenkrümmung umklappen.
10. Verfahren zum Herstellen einer partiell dreidimensional wölbförmig strukturierten Materialbahn (2) nach Anspruch 8, wobei nach dem Kanten die Falten bzw. Wülste (8, 9) zueinander weisen, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich der durchgängigen Höhenlinie (8a, 12) der Materialbahn (2) durch Stempel (16) bzw. Oberwange (18) und Matrize (17) bzw. Unterwange (19) und Biegewange (21) verzugsarm, d. h. ohne Instabilitäten und Verzüge, in die Kante geformt wird, wobei das Kanten entlang der firstförmigen Erhebungen (14) bzw. den partiellen Falten bzw. Wülsten (12) und den quer zur Laufrichtung der Materialbahn (2) angrenzenden Falten (8a) erfolgt, wobei die firstförmigen Erhöhungen (14) bzw. partiellen Falten bzw. Wülste (12) in die Gegenkrümmung umklappen.
11. Verfahren zum Herstellen einer partiell dreidimensional wölbförmig strukturierten Materialbahn (2), nach dem Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der durchgängigen Höhenlinie (8a, 12) der Materialbahn (2) durch Stempel (22) und Matrize (23) oder durch Stempel (26), Matrize (23) und Niederhalter (27), wobei die firstförmigen Erhebungen 14 in die Gegenkrümmung umklappen und die partiellen Falten 12 eingeebnet werden, so dass sich angenähert ebene bzw. schwach konkav gekrümmte Teilbereiche 24 ergeben.
12. Verfahren zum Herstellen einer partiell dreidimensional wölbförmig strukturierten Materialbahn (2) nach dem Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich der durchgängigen Höhenlinie (8a, 12) der Materialbahn (2) durch einen breiter ausgeführten Stempel (25) und mit der Matrize (23) oder durch einen Stempel (26), jedoch mit zusätzlichem Niederhalter (27) und durch die Matrize (23) mit einer durchgängigen ebenen Teilfläche bei guter Planlage der Materialbahn (2) ausgestattet wird.
13. Verfahren zum Herstellen einer partiell dreidimensional wölbförmig strukturierten Materialbahn (2) nach dem Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich der durchgängigen Höhenlinie (8a, 12) der Materialbahn durch einen breiten Stempel (28) und durch eine Matrize (29) oder durch einen Stempel (32) mit einem Niederhalter (34) und durch eine Matrize (33) in eine sickenförmige Gestalt (31) gebildet wird, wobei die firstförmigen Erhebungen (14) mit der partiellen Falte bzw. Wulst (12) und die aufgebogenen Falten bzw. Wülste (8a) in eine Sicke (31) quer zur Laufrichtung der Materialbahn (2) gebildet werden.
14. Verfahren zum Herstellen einer partiell dreidimensional wölbförmig strukturierten Materialbahn (2) nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Materialbahn (2) durch Stempel (16) und Matrize (17) oder durch Oberwange (18), Unterwange (19) und Biegewange (21) in eine trapezförmige Gestalt gekantet wird und dann mit einem entsprechend trapezförmig gekanteten Glattblech (43) zu einem versteiften Verbundbauteil gefügt wird.
15. Verfahren zum Herstellen einer partiell dreidimensional wölbförmig strukturierten Materialbahn (2) nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Materialbahn (2) im 1. Schritt durch Stempel (28) und Matrize (29) oder durch Stempel (32), Niederhalter (34) und Matrize (33) mit Sicken (35, 36, 37, 38) ausgestattet wird, im 2. Schritt durch Stempel (16) und Matrize (17) oder durch Oberwange (18), Unterwange (19) und Biegewange (21) in eine trapezförmige Gestalt gebogen wird, wobei die Sicken (35, 36, 37, 38) die Orte für die Kantungen darstellen, im 3. Schritt diese partiell wölbförmig strukturierte und mehrfach gekantete Materialbahn (2) mit einem entsprechend gekanteten Glattblech (48) gefügt wird, wodurch sich nach dem Fügen ein definierter Abstand zwischen dem Glattblech und der partiell strukturierten Materialbahn (2) ergibt, welcher durch die Sickentiefe einstellbar ist.
16. Verfahren zum Herstellen einer partiell dreidimensional wölbförmig strukturierten Materialbahn (2) nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Blechplatine (49) mit einer versetzten Anordnung der Bereiche mit durchgehender Höhenlinie (8a, 12) versehen wird, dann die Blechplatine (50) quer zur Blechplatine (50) mit schmalen, ebenen Teilflächen ausgestattet wird, oder die Blechplatine (54) mit der durchgängigen Höhenlinie (8a, 12) als Sicke (31) gebildet wird und im Bereich der seitlichen Ränder der Platine (52) Feinstrukturen (53), beispielsweise mit einer wellenförmigen Kontur, eingebracht werden und wobei der Anfangs- und Endbereich der Platine (52) in Laufrichtung der Materialbahn (2) nicht strukturiert, also eben belassen wird.
17. Verfahren zum Herstellen einer partiell dreidimensional wölbförmig strukturierten Materialbahn (2) nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Materialbahn (2) in eine ebene oder gekrümmte, wie zylinderförmige Gestalt gebogen wird, wobei Sicken (59) Orte der Sicken darstellen und die Tiefe der Sicken die Beabstandungen von der strukturierten Materialbahn (2, 57) zur glatten, ebenen (56) oder gekrümmten, wie zylindrischen (58) Materialbahn für ein Verbundbauteil mit Fügestellen (59) bilden oder wobei zwei strukturierte Materialbahnen (2) ohne Beabstandungen direkt aufeinander gefügt werden oder wobei zwei strukturierte Materialbahnen (2) mit großer Beabstandung hinsichtlich ihrer Mulden bzw. Kalotten (10) miteinander verbunden werden.
18. Verwendung einer nach den Ansprüchen 1 bis 6 oder 9 bis 17 hergestellten Materialbahn als Element für Wärmeübertragerwand, versteiftes Bauteil, beispielsweise für einen Kanalwärmetauscher aus nicht rostendem Stahl für Abwässer, oder als Element für einen Reaktor, beispielsweise Bioreaktor aus Glas oder nicht rostendem Stahl.

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