DE19856236A1 - Verfahren zum Richten mehrdimensional strukturierter Materialbahnen - Google Patents

Abstract

Nach der Erfindung wird die Schüsselung beulstrukturierter Materialbahnen mit schräg zur Bahnenlängsrichtung hintereinander bzw. nebeneinander angeordneten Beulstrukturen dadurch beseitigt, daß die Materialbahnen in Richtung der Beulstrukturen gebogen werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Richten mehrdimensional strukturierter, insbesondere beulstrukturierter Materialbahnen, bei dem strukturierte, insbesondere polyedrisch beulstrukturierte, gekrümmte Materialbahnen durch Biegen schräg zur Transportrichtung des Materials in die ebene Form übergeführt werden.

Der Leichtbau erfordert den Einsatz von Materialien, die bei geringem Gewicht eine große Formsteifigkeit aufweisen. Dünne Materialbahnen, wie Bleche oder Folien aus Metall, Kunststoff, Pappe oder Papier, sind zwar leicht, sie besitzen aber nur eine geringe Formstabilität. Deshalb strukturiert man derartige Materialbahnen, um ihre Formsteifigkeit zu erhöhen. Die strukturierten Materialbahnen werden häufig als Coils hergestellt und lassen sich so bequem und raumsparend transportieren. Bevor sie zu Leichtbauteilen verarbeitet werden, sind sie meistens wieder in die ebene Gestalt überzuführen, d. h. zu richten. Die gerichteten Materialbahnen sollen möglichst plan sein, weil die Formsteifigkeit und das optische Erscheinungsbild sonst beeinträchtigt sind und das Einpassen in komplexe Bauteile erschwert ist.

Es sind zahlreiche Verfahren bekannt, um ebene/flache, d. h. nicht strukturierte, Materialbahnen vom Coil oder aus einer gekrümmten Gestalt in die ebene Form zu richten. Zu diesen Verfahren gehören das Rollbiegen mit Hilfe von Rollen oder Walzen, bei dem die Materialbahn durch eine hin- und hergehende Bewegung gerichtet wird, und das mechanische Strecken der Materialbahn, bei dem diese in Längsrichtung so lange gezogen wird, bis eine Plastifizierung des Werkstoffes eintritt. Dabei können hohe Zugkräfte auftreten, die leicht zum Einreißen der Materialbahn führen können. Um diese großen Zugkräfte zu reduzieren, wird das bekannte Streckbiegen angewandt, bei dem die zum Richten erforderliche Plastifizierung des Werkstoffes durch ein Überlagern von Zug und Biegung der Materialbahn erreicht wird.

Diese bekannten Verfahren zum Richten eben/flacher Materialbahnen lassen sich für das Richten strukturierter Materialbahnen nicht anwenden, weil sich die Strukturen der Materialbahn durch das Andrücken der Rollen, durch die hin- und hergehende Bewegung des Materials und durch das mechanische Strecken des Werkstoffes dabei erheblich verformen würden.

Deshalb sind die besonderen Eigenschaften strukturierter Materialbahnen, die gegenüber ebenen Materialien eine verbesserte Formsteifigkeit aufweisen, beim Richten zu berücksichtigen.

Zu den bekannten Verfahren zum Strukturieren dünner Materialbahnen zählen das Einwalzer von Sicken und das Einprägen polyedrischer Strukturen durch mechanische Formwerkzeuge (Europäische Patentanmeldung 0441 618 A 1). Weiterhin sind Strukturierungsverfahren bekannt, nach denen das zu strukturierende Material nur von einer Seite mit einen mechanischen Formwerkzeug in Berührung kommt, während von der anderen Seite ein hydraulisches oder pneumatisches Kissen auf das zu strukturierende Material Druck ausübt (US Patent 4.576.669; Französische Anmeldung 1.283.530). Ferner ist ein Strukturierungsverfahren bekannt, nach dem dünne Materialbahnen oder Folien beulartig strukturiert werden. Dabei stützt man die gekrümmte, dünne Materialbahn oder Folie auf der Innenseite durch Stützelemente ab und beaufschlagt sie von außen hydraulisch mit Druck. Auf diese Weise entstehen versetzte Beulstrukturen; die die Formsteifigkeit der Materialbahn verbessern (Deutsche Offenlegungsschrift 25 57 215, Deutsche Patentschrift DE 43 11 978, Europäisches Patent 0693008, PCTIEP 96/01608, PCT/EP 97/01456 und Deutsche Patentanmeldung 197 50 576.7). Das gemeinsame Merkmal dieser Verfahren zur Beulstrukturierung ist die besonders schonende Weise, in der der Werkstoff der Materialbahn mehrdimensional strukturiert wird. Ein Problem beim Richten strukturierter, insbesondere beulstrukturierter Materialbahnen besteht ferner darin, daß sich so strukturierte Bleche und Bänder "schüsseln", wenn man beulstrukturierte, gekrümmte Materialbahnen in die ebene Form richtet. Mit "Schüsseln" ist gemeint, daß sich die strukturierte Materialbahn beim Richten quer zur Transportrichtung der Materialbahn etwas einwölbt. Dieses Einwölben bzw. "Schüsseln" hat seine Ursache im Prozeß des Beulstrukturierens selbst, bei dem das Material durch das mehrdimensionale Strukturieren etwas schrumpft, und ferner im geringen Aufbiegen der Beulfalten beim Richten der Materialbahn in die ebene Form. Die nach dem in PCT/EP 97/01465 beschriebenen Strukturierungsverfahren erzeugten polyedrischen, etwa wappenförmigen Beulstrukturen lassen sich zwar etwas einfacher in die ebene Form richten als die nach dem im Europäischen Patent 0693008 oder im PCT/EP 96/01608 beschriebenen Beulverfahren erzeugten viereckigen oder sechseckigen Beulstrukturen, aber auch bei diesem Verfahren läßt sich das Einwölben bzw. "Schüsseln" der gerichteten, strukturierten Materialbahn durch die bekannten Verfahren zum Richten nicht beseitigen. Dieses "Schüsseln" tritt auch bei rein mechanisch strukturierten, beispielsweise in Längsrichtung gesickten Materialbahnen auf.

Bei dem in der Deutschen Patentanmeldung 197 50 576.7 beschriebenen Verfahren zum Richten läßt sich das "Schüsseln" dadurch reduzieren, daß polyedrisch strukturierte Materialbahnen zunächst durch ein oder mehrere Walzenpaare vorgerichtet und dann durch zylindrische oder ballige Richtrollen in die ebene Form übergeführt werden. Dabei sind jedoch erhebliche Druckkräfte der Walzenrollen und der Richtrollen auf die strukturierte Materialbahn erforderlich, um den Werkstoff so stark zu plastifizieren, daß die "Schüssel" quer zur Transportrichtung der Materialbahn beseitigt ist. Dabei ist ein, merkliches Abflachen der Beulstrukturen unvermeidlich.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Richten strukturierter, insbesondere polyedrisch strukturierter, vorzugsweise beulstrukturierter Materialbahnen anzugeben, das die Vorteile der bekannten Verfahren nutzt, ohne ihre Nachteile in Kauf zu nehmen.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß strukturierte, insbesondere polyedrisch beulstrukturierte, gekrümmte Materialbahnen durch Biegen schräg zur Transportrichtung des Materials in die ebene Form übergeführt werden.

Beim Richten einer gekrümmten Materialbahn, beispielsweise vom Coil, in die ebene Form tritt ein "Schüsseln" der Materialbahn quer zu ihrer Transportrichtung auf. Dabei werden die Beulfalten des strukturierten Materials wieder etwas aufgebogen. Dieses "Schüsseln" entsteht auch beim Richten rein mechanisch strukturierter Materialbahnen, beispielsweise längs gesickter Materialien. Dieses "Schüsseln" läßt sich nicht durch die herkömmlichen Verfahren zum Richten strukturierter Materialien beseitigen, weil hierbei Biege- und Streckdeformationen des Werkstoffes nur in Transportrichtung der Materialbahn auftreten. Besser wäre es, wenn Biegedeformationen quer zur Transportrichtung der Materialbahn erfolgten, um das "Schüsseln" direkt durch ein Gegenbiegen zu beseitigen. Untersuchungen zeigten jedoch, daß dabei große geometrische Biegebewegungen quer zur Transportrichtung der Materialbahn erforderlich wären. Der Grund hierfür ist das vergleichsweise geringe Trägheitsmoment der Querschnittsfläche (Flächenträgheitsmoment) der Materialbahn beim Biegen quer zur Transportrichtung der Materialbahn von beispielsweise sechseckig beulstrukturierten Materialbahnen mit zick-zack-förmigen Beulfalten in Transportrichtung der Materialbahn. Das Flächenträgheitsmoment quer zur Transportrichtung der Materialbahn ist deshalb geringer als das Flächenträgheitsmoment in ihrer Transportrichtung, weil sich die Beulfalten quer zur Transportrichtung beim Richten etwas mehr aufbiegen und sich dabei etwas mehr abflachen als die zick-zack-förmigen Beulfalten in Transportrichtung der Materialbahn. Deshalb sind die zick-zack-förmigen Beulfalten nach dem Richten stärker ausgeprägt. Durch dieses geringe Flächenträgheitsmoment federt das "schüsselige" Material beim Gegenbiegen weitgehend elastisch zurück, statt durch eine plastische Biegedeformation eben zu werden. Andere strukturierte Materialbahnen, wie beispielsweise längsgesickte Materialien, zeigen ähnliche Effekte.

Überraschenderweise zeigt sich, daß sich beispielsweise sechseckig beulstrukturierte Materialbahnen mit Hilfe einfacher Vorrichtungen frei vom "Schüsseln" in die ebene Form richten lassen, wenn man die strukturierte Materialbahn schräg zur Transportrichtung biegt. Vorzugsweise wird in der Richtung gebogen, in der die die Beulstrukturen in der Materialbahn nebeneinanderliegen. Diese Richtung wird durch den Versatz der Beulstrukturen bestimmt, den Beulstrukturen in Bahnenlängsrichtung zueinander aufweisen.

Wenn beispielsweise das beulstrukturierte, gekrümmte Material symmetrische sechseckige Beulfalten besitzt, die zick-zack-förmig in Richtung der Materialbahn verlaufen, ergibt sich ein Richten ohne "Schüsseln", wenn die Materialbahn schräg, vorzugsweise um einen Winkel von 60° gegenüber der Transportrichtung der Materialbahn geneigt, gebogen wird. Dieser Neigungswinkel folgt jeweils der Richtung der zick-zack-förmigen Beulfalten. Da die zick­ zack-förmigen Beulfalten tiefer ausgeprägt sind als die Beulfalten quer zur Transportrichtung der Materialbahn, besitzen sie auch ein größeres Flächenträgheitsmoment. Deshalb wird beim Richten der sechseckig beulstrukturierten Materialbahn vorzugsweise bei einem Winkel 60° ein optimales Richtergebnis bei geringer Rückfederung und ohne "Schüsseln" erzielt. Dieses Prinzip kann auch auf andere beulstrukturierte, beispielsweise polyedrisch strukturierte, vorzugsweise S-förmig oder wappenförmig strukturierte, gekrümmte Materialbahnen oder auch auf andere mechanisch strukturierte Materialbahnen angewandt werden. Der optimale Winkel für das schräge Richten wird dabei an die Struktur angepaßt.

Gute Richtergebnisse werden auch noch gewonnen, wenn in weniger optimaler Schrägrichtung gerichtet wird. Wahlweise kann der Winkel dabei um 15 Grad in der einen oder anderen Richtung abweichen.

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, daß die strukturierte Materialbahn mit Hilfe einer Tordierung gerichtet wird. Dabei findet nicht nur ein Biegen schräg zur Transportrichtung der Materialbahn statt, sondern es tritt gleichzeitig ein Gegenbiegen zur "Schüssel" quer zur Transportrichtung der Materialbahn auf.

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, daß die strukturierte Materialbahn mit Hilfe einer Tordierung und einer gleichzeitigen Streckung des Materials gerichtet wird. Dabei findet nicht nur ein Biegen schräg zur Transportrichtung der Materialbahn und ein Gegenbiegen zur "Schüssel" quer zur Transportrichtung der Materialbahn statt, sondern das Material wird gleichzeitig zusätzlich gestreckt.

So primär gerichtete, strukturierte Materialbahnen ergeben ein Flachmaterial, d. h. ein veredeltes Halbzeug, das im Gegensatz zu nicht strukturiertem Material eine verbesserte Formsteifigkeit aufweist.

Diese gerichteten Materialbahnen lassen sich entweder zu Tafeln schneiden oder zu strukturierten Coils aufwickeln. Wenn man dann diese strukturierten Coils abgewickelt, kann ein unerwünschtes sekundäres "Schüsseln" auftreten, wobei sich die strukturierte Materialbahn etwas einwölbt. Bei den Untersuchungen wurde gefunden, daß sich dieses unerwünschte sekundäre "Schüsseln" dadurch beseitigen läßt, daß man die strukturierte Materialbahn beim primären Richten etwas stärker biegt und dadurch eine entgegengerichtete "Schüssel" in der strukturierten Materialbahn erzeugt. Wenn man diese primär gerichtete, strukturierte Materialbahn zu einem Coil aufwickelt und dann wieder ab wickelt, wird die entgegengerichtete "Schüssel" kompensiert, so daß eine ebene, strukturierte Materialbahn entsteht.

Der Erfindungsgedanke wird anschließend beispielhaft erläutert:

Fig. 1 zeigt die Aufsicht auf einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung zum Richten strukturierter Materialbahnen und/oder Folien mit schräg zur Transportrichtung der Materialbahn angeordneten Biege-Rollen.

Fig. 2 zeigt die Aufsicht auf eine sechseckig beulstrukturierte Materialbahn mit dem Neigungswinkel für das Biegen schräg zur Transportrichtung der Materialbahn.

Fig. 3 zeigt den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zum Richten strukturierter Materialbahnen und/oder Folien mit versetzt angeordneten Biege-Rollen.

Fig. 4 zeigt den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zum Richten strukturierter Materialbahnen und/oder Folien mit Transport-Rollen und Tordier-Rollen.

Die Fig. 1 zeigt in einer Aufsicht den prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung zur Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung zum Richten strukturierter, insbesondere beulstrukturierter Materialbahnen und/oder Folien. Die gekrümmte Materialbahn 1 wird in ihrer Transportrichtung durch die Richteinheit geführt und dabei durch schräg zur Transportrichtung angeordnete Biege-Rollen 2 und 3 in zwei Richtungen hin- und hergebogen.

In Fig. 2 sind die beiden Neigungswinkel Alpha und Beta für das Biegen schräg zur Transportrichtung der Materialbahn 1 schematisch dargestellt. Für strukturierte, insbesondere beulstrukturierte Materialbahnen existiert jeweils ein optimaler Neigungswinkel für das Biegen schräg zur Transportrichtung der Materialbahn 1. Bei einer symmetrisch, sechseckig beulstrukturierten Materialbahn 1 folgt dieser Neigungswinkel jeweils den zick-zack-förmigen Beulfalten, d. h. mit dem Neigungswinkel Alpha von etwa 60° in Richtung der zick-zack­ förmigen Beulfalten 4 und mit dem Neigungswinkel Beta von etwa 60° in Richtung der zick­ zack-förmigen Beulfalten 5.

Fig. 3 zeigt den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zum Richten strukturierter Materialbahnen und/oder Folien mit schräg zur Transportrichtung der Materialbahn 1 versetzt angeordneten oberen bzw. unteren Biege-Rollen 6 und 7 mit nachgiebiger, schonender Oberfläche. Die Materialbahn 1 wird zwischen den oberen und unteren Biege-Rollen 6 und 7 hindurch gezogen und dabei hin und her gebogen. Die oberen und unteren Biege-Rollen 6 und 7 drücken versetzt gegen die strukturierte Materialbahn 1. Dabei wird die senkrechte Anstellung der Biege-Rollen 6 und 7 der geometrischen Struktur der Materialbahn 1 angepaßt.

Fig. 4 zeigt den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zum Richten strukturierter Materialbahnen und/oder Folien mit Tordier-Rollen 8, die die strukturierte Materialbahn 1 spiralförmig tordierend verformen. Die Transport-Rollen 9 und 10 bewegen die strukturierte Materialbahn 1 vorwärts. Die Tordier-Rollen 8 besitzen vorzugsweise eine ballige Form, sie können aber auch eine zylindrische Gestalt aufweisen. Die Materialbahn 1 wird schräg zu ihrer Transportrichtung tordiert und dabei in etwa in Richtung ihres größten Flächenträgheitsmomentes gebogen.

Die Transport-Rollen 9 und 10 können gleichzeitig als Zug-Rollen dienen, um die strukturierte Materialbahn 1 zusätzlich etwas zu strecken, ohne daß dabei die Strukturen wieder eingeebnet werden. Die strukturierte Materialbahn 1 kann man mit Hilfe dieser überlagerten Torsion-Strecken-Verformung gleichmäßig in eine ebene Gestalt richten. Analog kann man die strukturierte Materialbahn 1 in die ebene Form überführen, indem man sie mit Hilfe der Vorrichtungen in Fig. 1 und Fig. 3 richtet und dann streckt, ohne die Strukturen wieder einzuebnen.

Claims (5)

1. Verfahren zum Richten beulstrukturierter Materialbahnen, die eine unerwünschte Krümmung, insbesondere eine Schüsselung, erfahren haben; wobei die Materialbahnen mit Richtrollen gebogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialbahnen schräg zur Bahnenlängsrichtung gebogen und/oder gestreckt und/oder tordiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegerichtung mit der Richtung zusammenfällt, in der die Beulstrukturen sich in der Materialbahn schräg zur Bahnenlängsrichtung erstrecken.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegerichtung maximal 15 Grad von der Richtung abweicht, in der die Beulstrukturen sich in der Materialbahn schräg zur Bahnenlängsrichtung erstrecken.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß beim Tordieren neben der Biegung in Schrägrichtung zugleich eine Gegenbiegung zur Schüsselung erzeugt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch die Verwendung balliger und/oder zylindrischer und/oder nachgiebiger und/oder schräg zur Bahnenlängsrichtung angestellter Richtrollen.