DE19611478A1 - Verfahren zur Erhöhung der Formfestigkeit dünner Materialbahnen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Formsteifigkeit dünnwandiger Materialbahnen durch Beulstrukturierung, indem gekrümmte Materialbahnen mit im Abstand zueinander angeordneten Stützelementen und mit Druck beaufschlagt werden.

Es sind zahlreiche Verfahren bekannt, um dünnwandige Materialbahnen zu strukturieren und damit ihre Formsteifigkeit zu verbessern. Zu diesen Verfahren gehören die bekannten Umformverfahren, wie das Einwalzen von Sicken oder das Einprägen von Strukturen mit Hilfe komplizierter Formwerkzeuge, wenn dreidimensionale Versteifungen erzeugt werden sollen. Diese mechanischen Umformverfahren besitzen den Nachteil, daß man dazu aufwendige und teure Formwerkzeuge benötigt, daß die zu strukturierenden Materialbahnen stark plastifiziert werden und daß die Oberflächengüte des Ausgangsmaterials durch die mechanische Flächenpressung leidet.

In der Europäischen Patentanmeldung 0 441 618 A1 wird ein Strukturierungsverfahren beschrieben, bei dem polyedrische Strukturen durch mechanische Formwerkzeuge (zwei Prägewalzen) erzeugt werden. Um axiale Sicken in Dosen einzuprägen, ist ferner eine Vorrichtung bekannt, mit deren Hilfe die Dose auf der Innenseite mit axialen, starren Elementen abgestützt und auf der Außenseite mit einer elastischen Rolle mit Druck beaufschlagt wird (DE 35 87 768 T2). Es ist auch vorgeschlagen worden (US Patent 4.576.669), eine Kunststoffolie über eine Walze zu führen, in der sich Näpfchen befinden, in die der Kunststoff durch Vakuum hineingezogen wird. Auf diese Weise läßt sich die Formsteifigkeit der Folie aber nicht verbessern. Ein Verfahren zum Einbeulen von Kunststoffolie, das runde Strukturen erzeugt, zwischen denen breite, nicht verformte Teilflächen stehen bleiben (Französische Anmeldung 1.283.530), ergibt ebenfalls keine nennenswerte Verbesserung der Formsteifigkeit der so behandelten Folie. Ferner ist ein Verfahren bekannt, nach dem dünne Materialbahnen oder Folien beulartig strukturiert werden. Dabei wird die gekrümmte, dünne Materialbahn oder Folie auf der Innenseite durch linienförmige Stützelemente abgestützt und von außen mit Druck beaufschlagt. Der äußere Druck wird hydraulisch aufgebracht. Auf diese Weise entstehen versetzte Beulstrukturen, die die Formsteifigkeit der Materialbahn verbessern (Deutsche Offenlegungsschrift 25 57 215, Deutsche Patentschrift DE 43 11 978). Dieser Prozeß des Beulstrukturierens unterscheidet sich von dem in der Anmeldung 0 441 618 A1 prinzipiell dadurch, daß nicht zwei Prägewalzen erforderlich sind, die mechanisch wirken, sondern daß nur ein Stützkern benötigt wird, auf dem die Materialbahn aufliegt, und gegen den sie hydraulisch angepreßt wird. Die hydraulische Herstellung polyedrischer, beispielsweise hexagonaler Strukturen, ist in der unter Nr. PCT/EP 01043 veröffentlichten internationalen Patentanmeldung beschrieben worden (siehe dort Abb. 5b und 5c). Anstelle der hydraulischen Druckaufprägung kann der Druck auch mittels eines nicht strukturierten, elastischen Kissens oder durch einen nicht strukturierten Elastomeren aufgebracht werden. Die Stützelemente, gegen die die Materialbahn gedrückt wird, können aus einem starren oder auf dem Kern verschiebbaren, flexiblen Werkstoff bestehen.

Bei dem in der Europäischen Patentschrift 0 441 618 A1 beschriebenen, rein mechanischen Formgebungsverfahren wird die Oberflächengüte des Ausgangswerkstoffs infolge starker mechanischer Verformung erheblich beeinträchtigt. Die in DE 35 87 768 T2 beschriebene Vorrichtung zur Herstellung von Längssicken verwendet linienförmige, axiale, starre Stützelemente und ein elastisches Druckelement. Die Formsteifigkeit des so strukturierten Materials mit den axialen Sicken ist jedoch unbefriedigend, da Sicken aus geometrischen Gründen keine mehrdimensionale Formsteifigkeit ergeben. Die in OS 25 57 215, DE 43 11 978 und PCT/EP 94/01043 beschriebenen Umformverfahren erzeugen im Gegensatz zur Sicke durch versetze Beulstrukturen eine mehrdimensionale Formsteifigkeit ohne Beeinträchtigung der Oberflächengüte.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren anzugeben, das die Vorteile der bekannten Verfahren nutzt, ohne ihre Nachteile in Kauf zu nehmen.

Zu den wesentlichen Nachteilen der bekannten Verfahren zum Beulstrukturieren gehört, daß im Bereich tiefer Beulfalten örtliche Dehnungen und Stauchungen des zu strukturierenden Werkstoffs auftreten, die so stark sind, daß erhebliche plastische Verformungen entstehen, die in diesen Bereichen zu einer Schwächung des Materials führen, so daß der Werkstoff reißen kann.

Ein weiterer, wesentlicher Nachteil der bekannten Verfahren zum Strukturieren von dünnen Materialbahnen oder Folien besteht darin, daß dabei die Selbstorganisation der Falten, die die Verbesserung der Formsteifigkeit bewirken, gar nicht oder nur unzulänglich ermöglicht wird. Unter Selbstorganisation der Beulfalten ist ein Vorgang zu verstehen, bei dem sich der Werkstoff mehrdimensional derart faltet, daß sich seine Formsteifigkeit verbessert. Dieser Umformprozeß des Beulstrukturierens erfolgt beispielsweise in der Weise, daß das gekrümmte, dünnwandige Material, das innen durch im Abstand zueinander angeordnete, starre Stützringe oder durch eine schraubenförmige, starre Stützspirale (OS 25 57 215) abgestützt wird, durch äußeren Druck instabil wird. Die Instabilität löst eine mehrdimensionale Faltung aus, und dadurch bilden sich versetzte, viereckige Beulstrukturen. So geht das dünnwandige Material in einen neuen Zustand über, dessen wichtigste Eigenschaft in einer verbesserten Formsteifigkeit besteht. Ein wesentlicher Nachteil dieser versetzten, viereckigen Beulstrukturen besteht darin, daß im Bereich der Beulfalten starke plastische Verformungen entstehen, die das Material schwächen. Werden anstatt der starren Stützelemente flexible Stützelemente, beispielsweise aus Gummi, die sich während des Beulstrukturierens in axialer Richtung auf einem Kern verschieben können, verwendet, entstehen sechseckige Beulstrukturen. Diese sechseckigen Beulstrukturen lassen sich auch durch sechseckige, starre Stützelemente herstellen (PCT/EP 94/01043). Untersuchungen haben gezeigt, daß im Bereich der sechseckigen Beulfalten starke plastische Verformungen entstehen, die das Material schwächen, ähnlich wie bei den versetzten, viereckigen Beulstrukturen. Der wesentliche Nachteil dieser bekannten Umformverfahren besteht darin, daß die Strukturen auf eckige Formen, wie vier- und sechseckige Beulstrukturen, beschränkt bleiben. Durch die Beschränkung konnte eine optimale Struktur der Beulfalten bisher nicht gefunden werden. Dabei erstreckt sich die Optimierung auf die Geometrie der Struktur und die geometrische Form der Falte selbst. Die Struktur der Beulen, beispielsweise ihre Größe und Tiefe, bestimmen bei gegebener Materialdicke den Zuwachs an Formsteifigkeit. Die Konturen der Falten müssen eine solche Form annehmen, daß trotz ihrer Ausprägung nur ein Minimum an plastischer Verformung auftritt. Es wurde nun gefunden, daß diese Kriterien nur erreichbar sind, wenn sich das Material in freier Selbsteinstellung in dieser Weise verformt.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß bei der Verformung des dünnen Materials mittels einer hydraulischen oder elastischen Druckübertragung die makroskopische Beulstruktur mittels Stützelementen nur vorgegeben wird, daß diese Stützelemente im Laufe der Strukturierung nachgeben, daß die Strukturfalten die Funktion der Stützelemente selbst übernehmen, und daß die Beulfalten und die Beulmulden in freier Selbsteinstellung eine solche optimale Form annehmen, daß sie dem herrschenden Verformungsdruck bei minimaler Plastifizierung standhalten.

Das erfindungsgemäße Verfahren, das die vorstehend genannten Kriterien erfüllt, besteht darin, daß anstelle starrer Stützelemente nach innen nachgiebige zum Einsatz kommen. Auf diese Weise entstehen neue Strukturen.

Eine Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, daß eine gekrümmte, dünnwandige Materialbahn oder Folie auf der Innenseite mittels einer schneckenförmigen, biegsamen Stützspirale abgestützt und von außen mit Druck beaufschlagt wird. Die biegsame Stützspirale gibt bei äußeren Druck nach innen etwas nach und verdrillt sich dabei etwas, so daß sich der Durchmesser der Stützspirale ein wenig verringert. Auf diese Weise bilden sich zunächst Beulfalten in Form von Vierecken, die sich dann durch eine freie Selbsteinstellung in eine optimale Form umformen. Dabei übernehmen die anfangs schwach ausgebildeten Beulfalten der viereckigen Struktur schrittweise die abstützende Wirkung der Stützspirale, da sich die Beulfalten mit zunehmender Tiefe in immer stärkerem Maße von selbst gegenseitig abstützen. Dagegen nimmt die abstützende Wirkung der biegsamen, spiralförmigen Stützspirale schrittweise ab, da sie mit zunehmendem äußeren Druck nach innen nachgibt. Auf diese Weise können sich die Beulfalten quasi von selbst frei verformen und nehmen dabei selbstorganisierend die optimale Gestalt an, die dem Verformungsdruck standhält. Dies gilt nicht nur für die optimierte geometrische Anordnung der Beulstruktur, sondern auch für die Ausformung der einzelnen Beulfalte, d. h. ihrer äußeren Kontur bzw. Rundung.

Die geometrischen Anordnungen der auf diese Weise optimierten Beulfalten sind beispielsweise wappenförmige, spiegelsymmetrische Strukturen, die aus Parallelogrammen entstanden sind, deren Schmalseiten spitz auslaufen und deren Längsseiten abgerundet sind. Die spitz auslaufenden Beulfalten sind in Transportrichtung der Materialbahn und die abgerundeten Beulfalten quer zur Transportrichtung der Materialbahn angeordnet. Die spitz auslaufenden Beulfalten entstanden auf optimierte Weise dadurch, daß die Selbstorganisation der Beulverformung bei einer gekrümmten Materialbahn, die innen mittels einer spiralförmigen Stützspirale abgestützt wurde, verkürzte Beulfalten parallel zur Rotationsachse der Stützspirale, d. h. senkrecht zur Transportrichtung der Materialbahn begünstigt. Die optimierte Ausformung der einzelnen Beulfalten in lateraler Richtung zeigt sich darin, daß in lateraler Richtung der Materialbahn nur gerundete Beulfalten entstanden sind, d. h. daß Beulknicke mit großen plastischen Verformungen nicht auftreten. Das folgt aus dem freien Ausgestalten der Beulfalten durch Selbstorganisation. Das Ergebnis ist eine hohe Formsteifigkeit der Materialbahn bei minimierter plastischer Verformung.

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, für die optimale Bildung der Beulstruktur möglichst günstige Voraussetzungen zu schaffen. Dies erreicht man dadurch, daß die optimale Faltung bei freier Einstellung zunächst ermittelt wird und daß dann Stützelemente so gestaltet werden, daß die dann entstehenden Beulstrukturen, insbesondere die Konturen der Falten, den durch Selbstorganisation gebildeten Geometrien entsprechen.

Wegen der Richtungsabhängigkeit der Formsteifigkeit hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Beulstrukturierung nicht durch Stützelemente zu erzeugen, die in Richtung oder quer zur Transportbewegung der Materialbahn angeordnet sind, sondern die sich in einem beliebig einstellbaren Winkel dazu befinden. Dieser Winkel läßt sich beispielsweise derart einstellen, daß eine ein- oder mehrgängige, schneckenförmige Stützspirale oder ein- oder mehrgängige Stützelemente, die den obengenannten, durch Selbstorganisation gebildeten Geometrien entsprechen, verwendet werden.

Der Erfindungsgedanke wird anschließend beispielhaft erläutert:

Fig. 1 zeigt den schematischen Ausbau einer Vorrichtung zur Herstellung beulstrukturierter Materialbahnen und/oder Folien mit einer Walze, auf der Stützelemente angeordnet sind, und einer flexiblen Druckwalze (radialer Querschnitt).

Fig. 2 zeigt die Aufsicht auf eine Beulstruktur, die mit Hilfe einer Vorrichtung hergestellt ist, die mit einer elastischen, eingängigen, schraubenförmigen Stützspirale ausgestattet wurde.

Fig. 3 zeigt die Aufsicht auf eine Beulstruktur, die mit Hilfe einer Vorrichtung hergestellt ist, die mit einer elastischen, mehrgängigen, schraubenförmigen Stützspirale ausgestattet wurde.

Fig. 4 zeigt beispielhaft den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung mit einer Walze mit Stützelementen und mit einer flexiblen Druckwalze zur Herstellung beulstrukturierter Dosen mit spitz auslaufenden Sechsecken.

Fig. 5 zeigt beispielhaft den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung mit einer Walze mit Stützelementen und mit einem konkaven flexiblen Druckkissen zur Herstellung beulstrukturierter Dosen.

Fig. 6 zeigt die Seitenansicht auf eine derartig beulstrukturierte Dose mit spitz auslaufenden Sechsecken.

Die Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung zur Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung zur Herstellung beulstrukturierter Materialbahnen und Folien. Die Materialbahn 1 wird um die Walze 2, auf der die Stützelemente 3 angebracht sind, gebogen und durch Andrücken der elastischen Druckwalze 4 mit Druck beaufschlagt. Dadurch entstehen die Beulstrukturen in der Materialbahn.

Die Fig. 2 und 3 zeigen die Aufsicht von abgewickelten, beulstrukturierten Materialbahnen.

In Fig. 2 und Fig. 3 sind Strukturen dargestellt, die sich ergeben, wenn sich die Beulfalten durch Selbstorganisation frei einstellen. Das geschieht beispielsweise dadurch, daß statt der starren, schraubenförmigen Spirale eine biegsame, schraubenförmige Spirale als Stützelemente verwendet wird, die in Druckrichtung nachgibt. Durch freie Einstellung ergeben sich dann wappenförmige, spiegelsymmetrische Strukturen mit spitz auslaufenden Beulfalten senkrecht zur Transportrichtung der Materialbahn und runde Beulfalten in Transportrichtung der Materialbahn. In der Fig. 2 wurde eine eingängige, schraubenförmige Stützspirale und in der Fig. 3 eine mehrgängige, schraubenförmige Stützspirale verwendet. In dieser Weise lassen sich unterschiedliche Winkel zwischen er Anordnung der Beulstrukturen und der Richtung der Materialbahn einstellen.

Die Fig. 4 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer strukturierten Dose 5 mittels einer Stützelement-Walze 6 und einer flexiblen Druckwalze 7 (Querschnitt a und Längsschnitt b).

Die Fig. 5 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer weiteren Vorrichtung zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung strukturierter Dosen. Statt der flexiblen Druckwalze drückt ein konkav geformtes, flexibles Kissen 8 gegen den Dosenrumpf 9, das sich eng an den Dosenrumpf anschmiegt und eine gleichmäßige Druckverteilung auf den Dosenrumpf und die Stützelementwalze 10 gewährleistet.

Die Fig. 6 zeigt die Seitenansicht einer strukturierten Dosen mit spitz auslaufenden Beulfalten in axialer Richtung.

Claims (8)

1. Verfahren zur Verbesserung der Formsteifigkeit von dünnwandigen Materialbahnen, bei dem gekrümmte Materialbahnen mit im Abstand zueinander angeordneten Stützelementen abgestützt werden und die dem an der gegenüberliegenden Seite insbesondere pneumatisch und/oder hydraulisch und/oder mittels eines Elastomers ein Verformungsdruck so aufgebracht wird, daß sich selbstorganisierend eine Oberflächenstruktur aus Beulfalten einstellt, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützelemente nach innen nachgiebig sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine in der Draufsicht schuppenförmige oder tropfenförmige Oberflächenstruktur gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schuppen an den Grenzen Spitzen und Rundungen besitzen.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beulfalten mit Faltenquerschnitt überall Rundungen besitzen.

5. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung von Stützelementen, die der Strukturfalten nachgebildet sind, welche sich an der konkreten Materialbahn selbstorganisierend ergeben.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Verwendung einer ein- oder mehrgängigen biegsamen Spitze.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen einstellbaren Winkel zur Richtung der Transportbewegung der Materialbahn.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch die Verwendung eines konkav geformten, flexiblen Kissens zur Aufbringung des Verformungsdruckes.