DE19634244A1 - Verfahren zur Erhöhung der Formsteifigkeit beulstrukturierter Materialbahnen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Formsteifigkeit beulstrukturierter Materialbahnen durch sekundäre Beulstrukturierungen, indem beulversteifte Materialbahnen durch im Abstand zueinander angeordneten Stützelementen abgestützt und mit Druck beaufschlagt werden.

Es sind mehrere Verfahren bekannt, um die Formsteifigkeit dünnwandiger Materialbahnen durch Strukturieren zu verbessern. Hierzu gehören die bekannten Umformverfahren, wie das Einwalzen von Sicken in eine Materialbahn. Diese Sicken weisen jedoch den Nachteil auf, daß sie der Materialbahn nur in einer Richtung eine verbesserte Formsteifigkeit verleihen. Wenn Versteifungen in mehreren Richtungen der Materialbahn erzeugt werden sollen, verwendet man bekannte komplizierte Formwerkzeuge, die dreidimensionale Strukturen in die Materialbahn einprägen. Diese mechanischen Umformverfahren ergeben den Nachteil, daß man dazu aufwendige und teure Formwerkzeuge benötigt und daß die zu versteifende Materialbahn dadurch stark plastifiziert wird. Ferner kann die Oberflächengüte des Ausgangsmaterials durch die mechanische Flächenpressung der Formwerkzeuge beeinträchtigt werden.

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 fuhren, in der sich Näpfchen befinden, in die der Kunststoff durch Vakuum hineingezogen wird. Auf diese Weise läßt sich die Formsteifigkeit der Folie aber nicht oder nur geringfügig 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 94/01043 veröffentlichten internationalen Patentanmeldung (siehe dort Abb. 5b und 5c) sowie in der Deutschen Offenlegungsschrift DE 44 37 986 A1 (siehe dort Abb. 2b und 2c) beschrieben worden. 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 (PCT/EP 94/01043) oder aus Stützkonturen (DE OS 44 37 986 A1) bestehen.

Bei dem in der Europäischen Patentschrift 0 441 618 A1 beschriebenen, rein mechanischen Formgebungsverfahren wird die Oberflächengüte des Ausgangswerkstoffs infolge starker mechanischer Verformung beeinträchtigt. Die in der 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 der DE OS 25 57 215, DE 43 11 978, PCT/EP 94101043 und der DE OS 44 37 986 A1 beschriebenen Umform­ verfahren erzeugen im Gegensatz zur Sicke durch versetze Beulstrukturen eine mehrdimensionale Formsteifigkeit. Dabei wird der zu strukturierende Werkstoff auf materi­ al- und oberflächenschonende Weise nur an diskreten Stellen gefaltet, um die Beulstrukturen zu erzeugen. Lediglich in den Beulfalten treten Plastifizierungen des Werkstoffs auf. In den Beulmulden bleiben die Plastifizierungsreserven des Ausgangswerkstoffs praktisch vollständig erhalten. Im Gegensatz dazu wird der Werkstoff bei den bekannten mechanischen Umformverfahren stark plastifiziert, seine Wanddicke wird geschwächt und die Oberflächengüte des Ausgangswerkstoffs leidet, wenn eine mehrdimensionale Versteifung des Materials erzielt werden soll.

Zu den wesentlichen Nachteilen der bekannten Verfahren zum Beulstrukturieren gehört, daß die im Bereich der Beulmulden noch verfügbaren, großen Plastifizierungsreserven ungenutzt bleiben, wenn das Ziel darin besteht, die Formsteifigkeit des beulstrukturierten Materials weiter zu verbessern. Mit den bekannten Verfahren zum Beulstrukturieren könnte man die Formsteifigkeit nur dadurch erhöhen, daß Strukturen mit tief ausgeprägten Beulfalten erzeugt werden. Das ist nur durch große Abstände der Beulfalten zu erreichen, wobei gleichzeitig große Beultiefen auftreten. Dadurch ergeben sich erhebliche Nachteile: Das Flächenverhältnis von Beulfalte, die plastifiziert ist, zu Beulmulde, die nicht oder nur wenig plastifiziert ist, ist bei großen Strukturen gering. Die Plastifizierungsreserven des Materials werden deshalb bei großen Strukturen nur wenig genutzt.

Ferner können strukturierte Materialien mit großen Strukturen und tiefen Beulen bei der weiteren Umformung zu Fertigprodukten, bei deren Handhabung und hinsichtlich ihres Designs noch weitere, wesentliche Nachteile aufweisen: Das weitere Umformen beulstrukturierter Materialien, beispielsweise durch Bördeln oder Rollprofilieren, wird durch große und tiefe Beulen erschwert. Wenn auf beulstrukturierte Materialien bedrucktes Papier geklebt wird, wie beim Etikettieren von Konservendosen, reißt das Papierband leicht ein. Ferner werden für ein ansprechendes Design in der Regel kleine Strukturierungen verlangt. Das läßt sich jedoch bisher nicht mit der Forderung nach einer großen Formsteifigkeit strukturierter Bauteile in Einklang bringen. Ein ansprechendes Design, eine gute Verarbeitbarkeit und eine hohe Formsteifigkeit schließen sich nach den bekannten Umformverfahren gegenseitig aus.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren anzugeben, durch das eine hohe mehrdimensionale Formsteifigkeit der zu strukturierenden Materialbahn erreicht wird, indem die Plastifizierungsreserven des Werkstoffs zusätzlich auf materialschonende Weise möglichst gleichmäßig zur Beulversteifung genutzt werden.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß jede Beulmulde einer primär beulstrukturierten Materialbahn mittels einer hydraulischen oder elastischen Druckübertragung auf die konvexe Seite der Beule sekundär beulverformt wird. So entstehen jeweils große Beulen, in deren Beulmulden sich von der Gegenseite her kleine Beulen bilden. Dadurch, daß die primären, großen Beulen und die kleinen Beulen in freier Selbsteinstellung eine optimale Form annehmen können, werden die Umformreserven der Materialbahn optimal und materialschonend genutzt, um eine hohe, mehrdimensionale Formsteifigkeit zu erzielen. Gleichzeitig werden große Beultiefen vermieden. Dieser zweistufige Beulstrukturierungs­ prozeß läßt sich erfindungsgemäß zu einem drei- und mehrstufigen Beulstrukturierungsverfahren erweitern, bei dem durch Druckübertragung auf die konvexe Seite der vorhandenen Beulmulde jeweils eine neue, kleinere Beule erzeugt wird. So entstehen mehrdimensionale, feine Faltstruk­ turen, ohne daß dabei der Werkstoff stark plastifiziert wird und ohne daß dazu komplizierte Formwerkzeuge benötigt werden.

Eine Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, daß eine ebene oder gekrümmte, beulstrukturierte Materialbahn oder Folie auf der konkaven Seite jeder Beulmulde mittels Stützelementen, vorzugsweise ringförmiger Stützelemente oder rechteckiger Stützelemente, deren Ecken abgerundet sind, abgestützt und von der Gegenseite mit Druck beaufschlagt wird. Zur Druckbeaufschlagung der Beulmulden dienen hydraulische oder elastische Druckelemente. Während die Beulfalten der primären, großen Beulen abhängig voneinander entstehen, findet die sekundäre Strukturierung innerhalb der gekrümmten Beulmulden unabhängig davon statt, ob sich die Materialbahn in einer gekrümmten oder ebenen Lage befindet. Damit wird die sekundäre Strukturierung der Beulmulden nur durch die Krümmung der primären, großen Beule selbst bestimmt.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß für die Druckbeaufschlagung der konvexen Beulmulden einzelne elastische Druckstempel verwendet werden, die den sekundären Beulprozeß auslösen. Man kann auch starre Druckstempel verwenden, deren Form den sich selbst einstellenden sekundären Beulen entspricht.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß für die Druckbeaufschlagung der konvexen Beulmulden einzelne, starre Druckstempel verwendet werden, die eine andere Form als die der sich selbst einstellenden, sekundären Beulen besitzen. Hierbei überlagert sich der sekundäre Beulprozeß mit einer mechanischen Umformung des Materials.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Beulmulden der primär beulstrukturierten Materialbahn dadurch sekundär beulstrukturiert werden, daß ein pneumatisches oder elastisches Druckkissen oder eine elastische Druckwalze gegen die konkave Seite der primären Beulmulden drückt und auf der Gegenseite ein elastischer oder starrer Druckstempel auf die konvexe Seite der primären Beulmulde drückt. Versuche haben ergeben, daß hierbei keine zusätzlichen Stützelemente auf der konkaven Seite der primären Beulmulden benötigt werden, wenn die Falten der primären Beulen ausreichend formsteif ausgeprägt sind und somit die Funktion von Stützelementen für die sekundäre Beulverformung übernehmen.

Ferner besteht eine Ausgestaltung der Erfindung darin, daß der primäre Beulprozeß der Materialbahn und die sekundäre Beulung der durch den primären Beulprozeß erzeugten Beulmulden zu einem integrierten, zweistufigen Beulprozeß verknüpft werden. Hierbei wird die zu strukturierende Materialbahn in gekrümmter Form mittels Stützelementen beabstandet stützt dann wird ein äußerer Beuldruck aufgebracht, so daß sich die primären, großen Beulen frei einstellen können, und daß dann die hierbei gebildeten Falten der primär entstandenen Beulen als Stützelemente für den sekundären Beulprozeß wirken, wobei ein Druckstempel auf die konvexe Seite jeder primären Beule drückt und dadurch den sekundären Beulprozeß auslöst. Der äußere Beuldruck wird erfindungsgemäß vorzugsweise durch einen Elastomeren, beispielsweise eine Gummiwalze oder ein Gummirail, aufgebracht und für den primären und den folgenden sekundären Beulprozeß aufrechterhalten. Da sich die durch den primären Beulprozeß gebildeten Beulfalten tief in das Elastomer eindrücken, werden diese Beulfalten stabilisiert. Im Bereich der primär erzeugten Beulmulden ist jedoch die Widerstandskraft des eindrückenden Elastomers gering, so daß der Druckstempel auf der Gegenseite leicht in die primäre Beule eindringen kann und auf diese Weise den sekundären Beulprozeß auslöst.

Der Erfindungsgedanke wird anschließend beispielhaft erläutert:

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

Fig. 2 zeigt die Aufsicht auf primäre, sechseckige Beulstrukturen mit sekundären, runden Beulstrukturen, die mit Hilfe einer Vorrichtung hergestellt sind, die mit ringförmigen Stützelementen ausgestattet wurde.

Fig. 3 zeigt die Aufsicht auf primäre, etwa viereckige Beulstrukturen mit sekundären, rechteckigen Beulstrukturen, die mit Hilfe einer Vorrichtung hergestellt sind, die mit rechteckigen Stützelementen, deren Ecken abgerundet sind, ausgestattet wurde.

Fig. 4 zeigt den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung mit einer Walze, auf der Stützelemente angeordnet sind, und einer Walze mit Druckstempeln zur Herstellung sekundär beulstrukturierter Materialbahnen oder Folien.

Fig. 5 zeigt den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung mit einer flexiblen Druckwalze und einer Walze mit Druckstempeln zur Herstellung sekundär beulstrukturierter Materialbahnen oder Folien.

Fig. 6 zeigt den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung mit einer flexiblen Druckwalze und einer Walze mit Druckstempeln zur Herstellung primär und sekundär beulstrukturierter Dosenrümpfe.

Die Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung zur Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung zur Herstellung sekundär beulstrukturierter Materialbahnen oder Folien. Die Materialbahn mit den primären Beulen 1 wird um die Walze 2, auf der die Stützelemente 3 angebracht sind, gebogen, wobei die Stützelemente 3 die konkave Seite der primären Beulen 1 abstützen. Durch Andrücken der elastischen Druckwalze 4 an die konvexe Seite der primären Beulen 1 entstehen die sekundären Beulen 5 in der Materialbahn.

Die Fig. 2 und 3 zeigen die Aufsicht von primär und sekundär beulstrukturierten Materialbahnen:

In Fig. 2 und Fig. 3 sind Strukturen dargestellt, die entstehen, wenn sich innerhalb der primären Beulen sekundäre Beulen einstellen. Fig. 2 stellt Beulfalten 6 mit einer primär sechseckigen Struktur dar, und die Beulfalten 7 der sekundären Beulen haben eine kreisförmige Form. In Fig. 3 ergeben die Beulfalten 8 der primären Beulen etwa viereckige Strukturen, und die Beulfalten 9 der sekundären Beulen ergeben auch etwa viereckige Strukturen, deren Ecken abgerundet sind. Die Gestalt der Beulfalten 7 und 9 der sekundären Beulen ergibt sich durch die Kontur der Stützelemente 3 in Fig. 1, wobei die Kontur der Stützelemente 3 der primären Beule 1, die das Stützelement 3 abstützt, an die primäre Beulmulde angepaßt ist. Beispiels­ weise passen zu sechseckigen, primären Beulen vorzugsweise kreisrunde oder ähnliche Falten der sekundären Beulen. Zu etwa rechteckigen oder parallelogrammförmigen, primären Beulen passen vorzugsweise abgerundete viereckige oder ähnliche Falten der sekundären Beulen.

Fig. 4 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer weiteren Vorrichtung zur Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung zur Herstellung sekundär beulstrukturierter Materialbahnen oder Folien. Die Materialbahn mit den primären Beulen 1 wird um die Walze 2, auf der die Stützelemente 3 angebracht sind, gebogen, wobei die Stützelemente 3 die konkave Seite der primären Beulen 1 abstützen. Durch Andrücken der elastischen oder starren Druckstempel 10 an die konvexe Seite der primären Beulen 1 entstehen die sekundären Beulen 5 in der Materialbahn.

Fig. 5 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer weiteren Vorrichtung zur Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung zur Herstellung sekundär beulstrukturierter Materialbahnen oder Folien. Die Materialbahn mit den primären Beulen 1 wird um die elastische Druckwalze 4 gebogen, wobei sich die Beulfalten 11 der primären Beulen 1 in die elastische Druckwalze 4 eindrücken und dadurch stabilisiert werden. Auf der Gegenseite drücken die elastischen oder starren Druckstempel 12, die auf der Walze 13 angeordnet sind, auf die konvexe Beulmulde der primären Beulen 1, wodurch die sekundären Beulen 5 entstehen. In analoger Weise können die primären Beulen 1 mit den sekundären Beulen 5 versehen werden, wenn statt der elastischen Druckwalze 4 ein ebenes oder beliebig gekrümmtes, flexibles Kissen verwendet wird, die primär beulstrukturierte Materialbahn mit der konkaven Seite über dieses flexible Kissen gebogen und auf der Gegenseite der Materialbahn die Walze 13 mit den Druckstempeln 12 auf den konvexen Mulden der primären Beulen 1 unter Druck abgerollt wird, wodurch die sekundären Beulen 5 entstehen.

Fig. 6 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung zur Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung zur Herstellung primär und sekundär strukturierter Dosenrümpfe, die in einem integrierten zweistufigen Arbeitsprozeß beulstrukturiert werden. Der glatte Dosenrumpf 14 wird auf seiner Innenseite durch die Stützelemente 15, die auf der Walze 16 angeordnet sind, abgestützt, auf der Außenseite des Dosenrumpfes 14 durch das flexible Kissen 17 mit Druck beaufschlagt, und auf diese Weise entstehen die primären Beulen 18 (Anordnung a. in Fig. 6). Nachdem auf diese Weise der gesamte Dosenrumpf 14 die primären Beulen 18 erhalten hat, treten die Druckstempel 19 konzentrisch aus der Walze 16 hervor, wodurch die sekundären Beulen 20 erzeugt werden (Anordnung b. in Fig. 6). Die Druckstempel 19, die bei der Anordnung a. in Fig. 6 noch nicht wirksam sind, werden beispielsweise dadurch konzentrisch aus der Walze 16 gedrückt, daß ein zentrisch in der Walze 16 angeordneter Konus in axialer Richtung bewegt wird und dadurch die Druckstempel 19 in radialer Richtung nach außen bewegt werden. Für den Fall, daß auf diese Weise primär und sekundär beulstrukturierte Dosen mit Papier beklebt (etikettiert) werden sollen, können die Druckstempel 19 mit einer ebenen oder nur etwas gekrümmten Druckfläche ausgestattet werden, damit die sekundären Beulen eine möglichst ebene Auflagefläche für das aufzuklebene Papier bieten. Die in Fig. 6 schematisch dargestellte Vorrichtung zur Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung erfordert somit ein zweifaches Abrollen des Dosenrumpfes 14 auf dem flexiblen Kissen 17, das erste Abrollen für das Erzeugen der primäre Beulen 18 und das zweite Abrollen für das Erzeugen der sekundären Beulen 20.

Claims (17)

1. Verfahren zur Beulversteifung einer dünnen Materialbahn, bei dem das Material dazu in gekrümmter Form innenseitig mittels Stützelementen beabstandet abgestützt und ein außenseitig Beuldruck aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß in einem zweiten Verfahrensschritt das Material von außen in den Beulen beabstandet abgestützt und zwischen den Abstützungen innenseitig mit einem Beuldruck beaufschlagt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich an die zweite Beulverformung weitere Beulverformungen anschließen, wobei bei jeder weiteren Beulverformung die Abstützung der Materialbahn an der Seite erfolgen, an der sie im vorherigen Verformungsschritt abgestützt worden ist, und der Beuldruck an der Seite angewendet wird, die der Seite gegenüberliegt, an der sie im vorherigen Verformungsschritt angewendet worden ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beulen eines jeden nachfolgenden Verformungsschritts kleiner als die Beulen des vorhergehenden Verformungsschrittes sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die nachfolgenden Beulen in der Mitte der vorhergehenden Beulen angesetzt werden.

5. Verfahren nach einem der Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Verformungsschritte unabhängig von der Krümmungslage der Materialbahn erfolgen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch die Verwendung hydraulischer oder elastischer Druckelemente.

7. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch die Verwendung von Druckkissen oder Druckwalzen zur Aufbringung des Beuldruckes.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch die Verwendung eines elastischen oder starren Druckstempels für die Abstützung in einem weiteren Verformungsschritt.

9. Verfahren nach Anspruch 6 oder 8, gekennzeichnet durch die Verwendung von Elastomeren für elastische Druckelemente und/oder elastische Abstützungen.

10. Verfahren nach einem der Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Beulen des nachfolgenden Verformungsschrittes die gleiche oder eine andere Form wie die Beulen des vorhergehenden Verformungsschrittes besitzen.

11. Verfahren nach Anspruch 10 gekennzeichnet durch die Kombination von runden und eckigen Beulen.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch eine gleichzeitige Anwendung der Werkzeuge für mehrere Verformungsschritte.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Werkzeug zugleich ein Druckelement und eine Abstützung bildet.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Werkzug aus einem äußeren Ring oder Hülse besteht, welche ein Druckelement bzw. eine Abstützung bildet und innen die korrespondierende Abstützung bzw. Druckelement angeordnet ist.

15. Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch ein Werkzeug, das durch radial zurückziehbare und vorstellbare Stützelemente variabel ist.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch die Beulstrukturierung von Hülsen.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülsen zu Dosen verarbeitet werden.