DE102018209927A1

DE102018209927A1 - Herstellungsverfahren für mikrostrukturierte Bänder

Info

Publication number: DE102018209927A1
Application number: DE102018209927.8A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-06-19
Filing date: 2018-06-19
Publication date: 2019-12-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von faltenförmigem Bandmaterial, dass durch folgende Merkmale gekennzeichnet ist:Das Bandmaterial wird zwischen zwei Walzen mit Falten- oder Rillenausformung hindurchgeführt. Die Berge in einer Walzenkontur liegen dem Tal einer anderen Walzenkontur gegenüber. Die Walzenkonturen greifen über eine Eindringtiefe T ineinander, so dass flaches Bandmaterial beim Durchlauf durch das Rollensatzpaar über die Spitzen der Ober- und Unterwalzen in die Breite gestreckt und dreidimensional ausgeformt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren von mikrostrukturiertem, dünnstem Bandmaterial.
Es ist bekannt, Flachband im sogenannten Rollformanlagen in einer Profilkontur auszuformen. Um bei dieser Kaltverformung möglichst wenige Spannungen im Band aufzubauen, wird das Band in mehreren, aufeinander folgenden Rollensätzen umgeformt, wobei darauf geachtet wird, dass es im Bandquerschnitt nur zu Biegungen und nicht zu Streckungen kommt.
Dieses bekannte Verfahren eignet sich nur für die Herstellung großer Profile und die Verwendung von dickem Bandmaterial. Das Verfahren eignet sich nicht um Mikrostrukturen in einem dünnen Band auszuformen - also z. B. um kleinste Falten einzubringen.
Bekannt ist auch, in dickeres Bandmaterial Präzisionsstrukturen einzuprägen. Dies erfordert Bandmaterialdicken von mindestens 0,4 mm und erfordert hohe Drücke einer profilierten Walze auf das Bandmaterial, wobei die Gegenwalze glatt ausgebildet sein kann, so dass das Material in die Kontur der Oberwalze einfließt.
Der Nachteil dieses Verfahrens ist die Notwendigkeit des dickeren Vormaterials in das geprägt werden kann. Problematisch ist auch die Verwendung von oberflächenveredeltem Material, da die Oberfläche durch die Prägung zerstört bzw. durch den Knetvorgang umgeformt wird.
Im Gegensatz zu diesem Prägeverfahren ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung in ein sehr dünnes Band, z. B. eine scharfkantige Mikrostruktur auszuformen, wobei die Bandoberseite weitgehend parallel zur Bandunterseite - also in Falten - ausgeformt ist. Verwendet man ein traditionelles Rollformverfahren und formt in aufeinander folgenden Rollenstichen in ein Metallband eine Mikrofalte nach der anderen ein, so erfordert dies bei breiten Bändern in eng beieinander liegenden Falten sehr große Rollformanlagen mit einer großen Anzahl von Einzelstichen. Hierbei ergibt sich das Problem, dass die Spur des Bandes von Stich zu Stich nur sehr schwer zu halten ist, so dass es in nachfolgenden Stichen in Folge minimalen Schieflaufs beim Durchgang durch die vielen Stiche zu Überformungen kommen kann. Deshalb zeigt das ausgeformte Band immer optische Unruhen. Bei sehr dünnem Bandmaterial z. B. <0,2 mm oder sogar <0,1 mm verstärkt sich die Unruhe durch geringste Toleranzen in den Lagern der Rollenwerkzeuge und minimalsten Verbiegungen der Wellen, auf die die Rollen aufgezogen sind. Es bestehen in der Verarbeitung von verspiegeltem Bandmaterial beim klassischen Rollformen Genauigkeitsanforderungen, die aufgrund von vorhandenen Toleranzen im Werkzeug und den Rollengerüsten jenseits des Machbaren liegen.
Die Erfindung hat sich daher zur Aufgabe gestellt, ein vereinfachtes Verfahren zu entwickeln, um z. B. dünne Spiegelbänder aus Metall oder Kunststoff oder Folienverbänden in einer rillenförmigen Mikrostruktur auszuformen ohne optische Unruhen in Kauf nehmen zu müssen.
Die Lösung erfolgt gemäß dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches.
Das Verfahren sieht vor, in einem einzigen Stich die komplette Kontur einzuformen. Dies erfordert, dass sich das Bandmaterial aufgrund der größeren Konturabwicklung gegenüber dem flachen Band im Werkzeugeinlauf in der Breite streckt. Das Bandmaterial selbst wird hierdurch gefurcht.
Beim klassischen Rollformverfahren wird eine solche Streckung und Furchung vermieden, indem das Band von der Seite her von Stich zu Stich und Falte zu Falte eingezogen wird. Beim klassischen Rollformverfahren entspricht die Bandeinlaufbreite annähernd der Abwicklung der fertigen Kontur. Nicht so bei den innovativen Verfahren. Hier entspricht die Einlaufbreite des Bandes der Endbreite des Bandes. Im klassischen Rollformverfahren wird das Band nur gebogen. Das innovative Herstellverfahren zieht das Material über die Kantenspitzen im Werkzeug wodurch eine Furchung bzw. Faltenausformung erreicht wird. Die Faltenwinkel α und β werden nicht über Biegung, sondern über die Versatzhöhe zwischen den Spitzen der Ober- und Unterwalzen eingebracht.
Soll beispielsweise ein Flachband mit einer Wandungsdicke von 0,15 in eine v-förmige Rillenstruktur mit v-Winkeln von 90° ausgeformt werden, so wird das Band im Durchlauf um ca. 41% gereckt. Die Wandungsdicke des ausgeformten Bandes beträgt dann nur noch ca. 0,105 mm, an den Spitzen sogar deutlich weniger.
Die Winkel der v-förmigen Spitzen werden - im Gegensatz zum klassischen Rollformen und im Gegensatz zum Prägen - nicht durch die Walzenkontur bestimmt, sondern durch die Eindringtiefen der Walzenspitzen der Oberwalzen und der Unterwalzen ineinander.
Die individuellen Eigenschaften metallischer Bandmaterialien wie Streckgrenze, Dehngrenze, Ducktilität, das Rückstellvermögen des ausgeformten Bandes usw. werden nur über die Eindringtiefe der Ober- und Unterwalzen ineinander beherrscht.
Hierfür ist es erforderlich, die Walzenkontur so zu bestimmen, dass das Band zwischen den Spitzen immer freisteht, um Quetschungen des Bandes zu vermeiden, die die Dehnung verhindern könnten.
Um eine Querschnittsdehnung von 41% zu erzielen, ohne das Band an den Spitzen der Falten zu zerreißen, ist es erforderlich, die Last auf die Spitzen zu reduzieren. Dies erfolgt durch die Lastverteilung auf eine Vielzahl von Spitzen.
Es gilt daher für die Werkzeugauslegung folgende Regel:
Je dünner das Band, umso mehr Spitzen werden benötigt und umso weicher das Bandmaterial im Einlauf, umso geringere Umformkräfte werden für die Einformung benötigt und um so geringer ist der Lastangriff an den einzelnen Faltenspitzen.
Somit eignet sich das Verfahren zur Herstellung von extra dünnwandigen Mikrostrukturen, die beispielsweise in der Lichttechnik für Leuchten oder Fresnelloptiken benötigt werden oder auch um bestimmte dekorative Effekte zu erzielen.

1 zeigt einen Stich, der aus dem Rollensatzpaar 1 gebildet wird, der aus der Oberwalze 2 und der Unterwalze 3 besteht. Flaches Band 4 läuft in das Werkzeug ein und kommt als profiliertes Band 5 aus dem Werkzeug heraus.
2 zeigt eine vereinfachte Darstellung des Verfahrens. In einer starken Vergrößerung zeigt die Figur einen Ausschnitt aus einer Oberwalze 10 und einer unteren Walze 11. wie das Material zwischen den Konturspitzen des Werkzeugs über die Werkzeugkanten gleichzeitig in Falten gelegt wird. Das Bandmaterial 12 berührt das Werkzeug nur an den Kanten. Das Material ist komplett freigestellt. Hierbei dringt die Kontur der Oberwalze 10 in die Kontur der unteren Walze 11 um die Eindringtiefe T ein, so dass das Band 12 über die Kanten gereckt wird.

Hinter dem Werkzeug federt ein hartes Material etwas zurück, so dass durch die Definition der Eindringtiefe T eine Überformung stattfinden kann, die die Rückfederung des Materials vorwegnimmt, um zu der gewünschten Kontur zu kommen.
Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung von rillenförmigen Mikrostrukturen, wobei der Abstand D zwischen den Faltenspitzen < 0,5 mm sein kann. Vorliegend ist D₁ und D₂ gleich groß gewählt, wodurch eine gleichförmige Faltenkontur des Bandmaterials 12 erzeugt wird. D₁ kann von D₂ abweichen, wodurch unsymmetrische Abstände D und voneinander abweichende Winkel α und β entstehen. Auch kann das Werkzeug insgesamt einer konkav/konvex Kontur folgen, wodurch voneinander abweichende Faltenwinkel entstehen. Typische Profilkonturen, die durch das Verfahren erzeugt werden, sind in 3 und 4 in etwas vergrößerter Form dargestellt.
Bevorzugte Materialien, die nach diesem Verfahren bearbeitet werden können, sind Metallbänder aus Aluminium oder Stahl oder auch Verbundfolien. Selbst Bänder mit fertig veredelten Oberflächen z. B. Eloxaloberflächen oder PVD Oberflächen oder elektrolytisch aufgebrachte Metallschichten können mit diesem Verfahren verarbeitet werden. Im Ergebnis entstehen Bänder mit einer erhöhten Festigkeit, die gleichzeitig elastische und federnde Eigenschaften aufweisen. Die Bänder können daher auch nach dem Verarbeitungsverfahren wieder auf ein Coil aufgewickelt werden und springen nach dem Abwickeln aufgrund der gewonnenen Festigkeit in eine Gerade zurück.
Vorzugsweise wird metallisches Vormaterial mit einer Streckgrenze < 270 N/mm² verarbeitet. Durch den Streckungsvorgang härtet das Material extrem aus. Es entsteht eine Kaltverfestigung, die die Flexibilität des Materials erhöht. Bei Kunststoffen wird die Formbarkeit bzw. die erforderliche Plastizität durch die zuvor zugeführte Wärme erreicht. Die Erstarrung in der gewünschten Form sowie die erforderliche Festigkeit wird durch einen Kühlprozess realisiert. Für dieses Verfahren eignen sich thermoplastische oder auch duroplastische Kunststoffe und Verbundfolien. Auch diese Folien können vor der Verarbeitung mittels einer Metallisierung verspiegelt werden.
Das Verfahren ist nicht auf die Ausformung von scharfkantigen Rillen beschränkt. Auch wellenförmige Ausformungen sind möglich. Der Begriff „Spitzen“ im Werkzeug ist so zu verstehen, dass diese ausgerundet sein können.
Das Verfahren eignet sich für die Herstellung faltenförmiger Lamellen im Bereich von 10 bis 100mm oder auch für größere oder sehr große Bandbreiten gemäß den Walzwerkzeugbreiten der Walzwerke. Die Walzwerkzeuge habe eine minimale Breite von z. B. 10 mm bis 2 m und mehr.
Bei dem innovativen Verfahren kann es erforderlich sein, mehrere Stiche hintereinander anzuordnen, um eine immer bessere Ausformung zu erhalten. Hierbei werden die nachfolgenden Rollensatzpaare tiefer ineinandergreifend eingestellt um nachzuformen bzw. tiefer zu furchen.
Bei Kunststoffmaterialien kann hinter der Formwalzung ein gekühltes Walzenpaar eingesetzt werden, um die Kontur präzise zu erstarren bzw. in der gewünschten Ausformung zu fixieren.

Claims

Verfahren zur Herstellung von faltenförmigem Bandmaterial, dadurch gekennzeichnet, dass - das Bandmaterial zwischen zwei Walzen mit Falten- oder Rillenausformung hindurchgeführt wird, wobei - die Berge in einer Walzenkontur dem Tal der anderen Walzenkontur gegenüberliegen, wobei - die Walzenkonturen über eine Eindringtiefe T ineinandergreifen, so dass - flaches Bandmaterial beim Durchlauf durch das Rollensatzpaar über die Spitzen der Ober- und Unterwalzen in die Breite gestreckt und dreidimensional ausgeformt wird.
Verfahren zur Herstellung, dadurch gekennzeichnet, dass die Walzen eine Vielzahl paralleler Rillen aufweisen, die so ausgeformt sind, dass das Bandmaterial zwischen den Spitzen im Wesentlichen freisteht und dass Quetschungen des Bandes zwischen den Walzen verhindert sind.
Verfahren zur Herstellung, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiches metallisches Bandmaterial < 300 N/mm² Streckgrenze in das Werkzeug einläuft und durch Streckung in der Breite kaltverfestigt wird.
Verfahren zur Herstellung, dadurch gekennzeichnet, dass Ober- und Unterwalze voneinander abweichende Konturen aufweisen.
Verfahren zur Herstellung, dadurch gekennzeichnet, dass Rillenförmiges Bandmaterial mit unsymmetrischen Falten oder Rillen hergestellt wird, wobei die Kanten der Falten oder Rillen abweichende Kantenlängen und die Faltenwandungen voneinander abweichende Winkel α und β aufweisen.
Verfahren zur Herstellung, dadurch gekennzeichnet, dass das zu verarbeitende Bandmaterial aus einem metallischen Werkstoff besteht und vor dem Werkzeugeinlauf eine Dicke von < 0,3 mm, vorzugsweise > 0,07 mm aufweist.
Verfahren zur Herstellung, dadurch gekennzeichnet, dass das zu verarbeitende Bandmaterial aus einer Kunststofffolie oder aus einer Kunststoffverbundfolie besteht.
Verfahren zur Herstellung, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitzen im Werkzeug mindestens teilweise einen Abstand D von < 1 mm haben und dass das Band hinter dem Werkzeugdurchlauf eine Höhe H < 1,5 mm, vorzugsweise ≤ 0,5 mm hat.
Verfahren zur Herstellung, dadurch gekennzeichnet, dass Folienband aus Kunststoff oder Alu vor dem Werkzeugeinlauf erwärmt und hinter dem Werkzeugauslauf gekühlt wird.
Verfahren zur Herstellung, dadurch gekennzeichnet, dass ein Werkzeug bestehend aus mehreren Rollensatzpaaren verwendet wird, die nacheinander angeordnet sind, wobei von Rollensatzpaar zu Rollensatzpaar die sich gegenüberliegenden Rollen enger zusammengestellt sind und dass durch zunehmend größere Eindringtiefen T zunehmend tiefer gefurcht wird.