DE4401974A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Beulverformung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beulverformung von Materialbahnen und Folien, bei dem die Materialbahnen und Folien dazu beabstandet abgestützt und mit einem Unter- oder Überdruck beaufschlagt werden.

Derartige Verfahren werden zwecks Einsparung von Materialien in vielen Bereichen der Technik benötigt. Es gibt eine Vielzahl von Ausrüstungsteilen, bei denen trotz dünner Wände eine hohe Festigkeit bzw. Formstabilität gewünscht ist. Das wird dann durch Formgebung erreicht. Das Einwalzen von Sicken in Dosen oder Fässer gehört in diesen Bereich. Voraussetzung bei allem ist ein beulungsfähiges Material. Materialen wie Gummi, die keine bleibenden Verformungen aufnehmen, eignen sich nicht.

Es ist ein hydraulisches Formgebungsverfahren bekannt, bei dem dünne Materialbahnen und Folien eine gleichmäßige, versetzte Beulstruktur dadurch erhalten, daß die Wände auf der Innenseite durch Stützringe oder Stützspiralen abgestützt und mittels äußerem Überdruck oder innerem Unterdruck beaufschlagt werden. Hierbei wird der äußere Überdruck entweder rein hydraulisch oder mittels Druckmanschette oder mittels umlaufendem, flexiblen Band, das die Konturen einer versetzten Beulstruktur enthält, aufgeprägt (deutsche Patentschrift Nr. 4311978). Um Bleche in eine zylindrische Form mit optimaler Zylindrizität zu biegen, ist weiterhin das Zweiwalzen-Rundbiegeverfahren bekannt. Hierbei werden Bleche um eine Oberwalze geformt, indem die Oberwalze in eine flexible Unterwalze eindringt (deutsche Patentschriften Nr. 1602489, Nr. 1752001, Nr. 1552017).

Nach einem älteren Vorschlag gemäß der P 4311978 werden Bleche, Folien und Bauteile erzeugt werden, die vorzugsweise Beulstrukturen mit der Form eines Rechtecks, Quadrats oder eines Parallelogramms enthalten. Die umlaufenden Beulknicke entsprechen den Auflagelinien der Stützspirale bzw. der Stützringe (P 4311978, Beulknicke 10 in Fig. 2a). Während diese umlaufenden Beulknicke in zylindrischen Blechen oder Folien eine starke Formsteifigkeit erzeugen, bewirken sie bei ebenen oder nur wenig gekrümmten, beulverformten Wänden oder Folien bislang nur eine geringe Verbesserung der Formsteifigkeit in Richtung dieser Beulknicke. Deshalb ist die Formsteifigkeit beulverformter, ebener Bleche oder Folien noch nicht einheitlich.

Das bekannte und viel ältere Zweiwalzen-Rundbiegeverfahren ist vorzugsweise für die Erzeugung zylindrischer Bauteile, die keine strukturierten Wände besitzen, geeignet. Wenn mit dem Zweiwalzen-Rundbiegeverfahren strukturierte, zylindrische Bauteile erzeugt werden sollen, sind einerseits sehr aufwendige Strukturwalzen erforderlich, und andererseits werden die Oberflächengüten der Ausgangsstoffe infolge starker mechanischer Verformungen erheblich beeinträchtigt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Verfahrensverbesserung. Es sollen dünne Wände und Folien mit einer mehrdimensionalen, versetzten Beulstruktur und geringem technischen Aufwand erzeugt und in unterschiedlichen Technologien angewendet werden können. Auch soll eine verbesserte, mehrdimensionale Formsteifigkeit von beulverformten Bauteilen erzielt werden.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß eine beulartig zu strukturierende Materialbahn auf flexible, beabstandete Stützelemente gebogen wird und segmentweise in zeitlicher Folge durch Überdruck von außen oder durch Unterdruck von innen beaufschlagt wird.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß statt steifer Stützelemente flexible Stützelemente für die Beulverformung verwendet werden. Dabei können die beabstandeten Stützelemente als flexible Stützringe oder als flexible Stützspirale vor dem Beulvorgang fest oder axial beweglich auf einem Zylindermantel angebracht. Wesentliches Merkmal ist hierbei, daß sich die flexiblen Stützelemente durch den Beulvorgang selbständig zickzackförmig verformen, so daß sechseckartige Beulstrukturen entstehen können. Ursachen hierfür sind Zugspannungs- und Druckspannungszonen in der beulverformten Wand, die das Bestreben haben, sich auszugleichen. Erfindungsgemäß wird die Form der sechseckartigen Beulstrukturen wesentlich durch die folgenden Parameter eingestellt: Flexibilität der Stützelemente, Beuldruck und Materialeigenschaften. Die Materialeigenschaften werden durch die Verformungsfähigkeit des Materials bestimmt. Wichtig ist dabei die Unterscheidung zum sogenannten Tiefziehen, bei dem ein Fließen des Materiales stattfindet. Beim Tiefziehen wird die Oberflächengröße des Materiales als Ergebnis des Ziehens wesent­ lich erhöht. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine wesentliche Ober­ flächenvergrößerung nicht vorgesehen. Es findet eine Einbeulung statt, die von der Aufbringung der Beulungskräfte am Beispiel einer Hülse/Rohr zunächst ausreicht, um eine Oberflächenvertiefung zu bewirken, die aber dann als Kraft zu gering ist, um den relativ steifen Rand der Beulung in Vor­ schubrichtung des Beulens einzudrücken. Dieser Beulenrand widersteht der Verformung. Bei weiterem Vorschub findet die Beulungskraft dann einen Oberflächenbereich mit geringerer Widerstandskraft. Dort entsteht eine neue Beule mit gleichem widerstandsfähigem Rand. Es wiederholt sich der vorstehend beschriebene Vorgang. Infolgedessen bilden sich nach­ einander bzw. fortlaufend neue Beulen. Im Ergebnis benötigt das erfindungs­ gemäße Verfahren in Vorschubrichtung keine Beulenkanten bildende Unter­ stützung. Das heißt, bei einer Umfahrung der Hülse/Rohr in Umfangsrichtung entsteht eine Reihe gleichmäßig am Umfang verteilter Beulen. Vorteilhafter­ weise bewirkt ein Beulung des sich in axialer Richtung anschließenden Ober­ flächenbereiches, daß die dort entstehenden Beulen versetzt zu den erster­ zeugten Beulen entstehen. Es bildet sich eine Wabenstruktur mit relativ hoher Biegefestigkeit in jeder Richtung.

Als elastische Stützelemente werden erfindungsgemäß vorzugsweise Bänder und Ringe aus Elastomeren, Kunststoffen, Metallen, sowie Kettenelemente oder pneumatische Ringe und Spiralen verwendet, die eine runde oder ovale oder rechteck-, dreieck- oder trapezförmige Querschnittsfläche besitzen. Damit die flexiblen Stützelemente einerseits auf dem Mantel axial beweglich sind, andererseits beabstandet sind, werden erfindungsgemäß wahlweise zwischen den Stützelementen hochelastische Packungen aus Elastomeren, Weich-Kunststoffen oder Metallgeweben angebracht. Alternativ sind die Stützelemente in umlaufenden, flachen Mulden des Zylindermantels angeordnet. Auch weitere Möglichkeiten sind gegeben.

Diese Vorrichtungen dienen dazu, daß die zickzackförmig verformten, elastischen Stützelemente nach dem Beulvorgang wieder eine gerade Umlauflinie annehmen.

In einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung werden beab­ standete, flexible oder steife Ringe bzw. Spiralen, die fest mit dem Mantel verbunden sind, als Stützelemente verwendet. Auch flexible Scheiben, die beabstandet in den Mantel eingefügt sind, können als Stützelemente dienen.

Werden flexible Stützelemente für die Beulstrukturierung von zylindrischen Behältern oder gewickelten Blechen bzw. Folien verwendet, wobei ein konzentrischer, äußerer Überdruck oder innerer Unterdruck wirksam ist, stellt sich die Zickzackform der Stützspiralen auf dem Umfang des Zylinder­ mantels innerhalb kurzer Zeit selbständig ein. Diese Verformungen können erhebliche Dehnungen und Materialbeanspruchungen der Stützelemente hervorrufen. Untersuchungen von segmentartigen Beulvorgängen haben ergeben, daß für die Erzeugung von regelmäßigen, versetzten Beulstrukturen der gesamte Zylinderumfang nicht gleichzeitig beulverformt werden muß. Erfindungsgemäß ist es deshalb vorgesehen, zeitlich jeweils nur einzelne Segmente in Umfangsrichtung beulartig zu verformen, wobei jedoch das jeweilige druckbeaufschlagte Segment zwei oder mehrere einzelne Beulen in Umfangsrichtung umfassen kann.

Hierdurch werden mehrere Vorteile erzielt: Da die flexiblen Stützelemente zeitlich jeweils nur segmentweise mit Druck beaufschlagt werden, sind die Gesamtdehnungen der Stützelemente auf dem Mantel erheblich geringer als bei der allsei­ tigen Druckbeaufschlagung. Weiterhin kann der apparative Aufwand für das in oben beschriebene, ältere halbkontinuierliche oder kontinuierliche Beul­ verfahren dadurch erheblich reduziert werden, daß erfin­ dungsgemäß eine Druckmanschette oder ein profilierte Band oder ein glattes Band segmentartig auf die zu verformende Materialbahn gedrückt wird.

Wahlweise kann der Beuldruck nach der Erfindung auch mittels flexibler Druckwalze oder pneumatischer Druckwalze auf die zu verformende Materialbahn gedrückt wird. Hierbei dringt die zu verformende Materialbahn, welche um den mit Stützelementen versehenen Mantel gebogen ist, in die Druckwalze ein. Die flexible Druckwalze besteht aus einem elastischen, zylindrischen Druckmantel, bevorzugt aus einem elastomeren Werkstoff. Die pneumatische Druckwalze arbeitet nach dem Reifenprinzip.

Es kann nach der Erfindung auch eine flexible oder pneumatische, profilierte, vorzugsweise genoppte, Druckwalzen verwendet werden, wobei die versetz­ ten Noppen den Beulmulden der Beulstruktur der zu verformenden Materialbahn entsprechen. Hierbei ist es nicht erforderlich, daß von der Druckwalze gleichzeitig jeweils ein Segment mit zwei oder mehr Beulen in Umfangsrichtung in die zu verformende Materialbahn eingedrückt wird.

Erfindungsgemäß können ferner steife Druckwalzen mit ver­ setzten, steifen oder flexiblen Noppen verwendet werden. Diese sind vorteilhaft für die Beulverformungen von dickeren Blechen oder Bändern, die vergleichsweise große Verformungskräfte erfordern. Trotz der in die Materialbahn eindringenden Noppen handelt es sich prinzipiell um eine Beulverformung. Allerdings wird die Oberflächengüte der zu verformenden Materialbahn durch das Eindringen der steifen, genoppten Druckwalze stärker beeinträchtigt, als es bei der flexiblen oder pneumatischen Druckwalze der Fall ist. Die erforderlichen Verformungskräfte werden reduziert, wenn er­ findungsgemäß die Beulverformung bei erhöhten Temperaturen der zu verformenden Materialbahn durchgeführt wird.

Die Beulverformung mittels versetzter Noppen hat gegenüber der rein hydraulischen Beulverformung den Vorteil, daß die geometrische Form der Beulstrukturen variabel eingestellt werden kann.

Die Druckwalzen sind mit flexiblen oder steifen Stützelementen anwendbar.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht die Anwendung zweier oder mehrerer Druckwalzen vor. Beispielhaft erzeugt die erste Druckwalze mit steifen Noppen in der zu verformenden Materialbahn grobe Beulstrukturen, während die folgende, flexible Druckwalze die gewünschten Beulfalten weiter ausbildet und unerwünschte Unebenheiten in den Beulmulden teilweise ausgleicht.

Erfindungsgemäß können weiterhin zickzackförmige, schlangenförmige oder sonstige periodisch umlaufende Stützelemente für die Beulverformung verwendet. Hierbei treten nur geringe Verformungen der Stützelemente auf, da die Stützelemente den Umlauflinien der mehrdimensionalen, versetzten Beulstruktur jeweils angepaßt sind.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht die Herstellung von Rohren, bevorzugt Rohre aus Extrusions- oder Streckanlagen (Kunststoffe) oder aus Walz- oder Ziehanlagen (Metalle), vor. Die Einbeulung des Kunststoffes ist dabei nur dann bleibend, wenn sie über die Rückstellfähigkeit des Materiales hinausgeht. Im Grundsatz gilt das für alle Materialen.

Es können ein- oder mehrgängige schneckenförmige Stützelemente verwendet werden, die synchron zur Transportgeschwindigkeit des zu verformenden Rohres in axialer Richtung gedreht werden. Zur Aufprägung des Beuldruckes können eine oder mehrere flexible, glatte oder profilierte Druckwalzen verwendet werden, die in Umfangsrichtung des zu verformenden Rohres umlaufen. Die Druckwalzen haben dieselbe prinzipielle Funktion wie die bei der oben beschriebenen Beulprofilierung von Materialbahnen; jedoch sind bei der Verwendung von profilierten Druckwalzen die versetzten Noppen den Beulmulden der ein- oder mehrgängigen Schnecke anzupassen. Anpassen heißt dabei nicht notwendige Formidentität mit der gewünschten Beule. Aus­ reichend ist, daß die Noppen nur andeutungsweise die Konturen der Beulen wiedergeben und eine Art Keimbildung/Initialwirkung bei der Entstehung jeder Beule haben.

Dieses Verfahren eignet sich auch für die Beulverformung von endlosen Rohren. Da die beulstrukturierten Rohre einerseits eine erhöhte radiale Steifigkeit und andererseits eine verbesserte Biegefähigkeit gegenüber den glatten (nicht beulstrukturierten) Rohren aufweisen, sind sie als endlose Rohre in einfacher Weise aufwickelbar.

Alternativ wird erfindungsgemäß das zu verformende Rohr axial gedreht und axial transportiert, so daß die rotierenden Druckwalzen ortsfest angebracht werden können.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden vorzugsweise endlose Rohre dadurch beulverformt, daß eine flexible Druckmanschette auf der Außenseite des Rohres und eine Schnecke auf der Innenseite des Rohres synchron zur axialen Transportgeschwindigkeit des Rohres diskontinuierlich mitbewegt werden. Nach erfolgter Beulverformung wird die Druckmanschette druckentlastet und zurücktransportiert, und die Schnecke wird durch axiale Drehung in die Ausgangsposition zurückbewegt. Damit bei dieser diskontinuierlichen Beulverformung gleichmäßige Beulstrukturen entlang des endlosen Rohres entstehen, werden wahlweise nach der Erfindung die Beulverformungen teilweise überlappt durchgeführt, so daß jeweils einige Beulen als "Keime" für die darauffolgende Beulverformung wirksam sind. Zweitens wird in der Druckmanschette ein Druckgradient entgegen der Transportrichtung des Rohres aufgebaut. Dieser Druckgradient wird in der Druckmanschette vorzugsweise dadurch erzeugt, daß ein kompressibles Medium (z. B. Luft) durch poröse, flexible Stoffen oder Lamellen strömt und/oder viskose Pasten bzw. Gele verwendet werden. Dieser Druckgradient ist unabhängig von der vorliegenden Erfindung auch für andere Verfahren, z. B. für die zu dem oben beschriebenen älteren Verfahren gehörige Druckmanschette vorteilhaft.

Erfindungsgemäß kann als Stützelement eine Schnecke dienen, deren äußerer Durchmesser durch eine mechanische oder pneumatische Vorrichtung variiert werden kann. Auf diese Weise kann die Schnecke nach der jeweiligen Beulverformung mit geringem Kraftaufwand wieder in die Ausgangsposition zurückgedreht werden.

Erfindungsgemäß ist wahlweise weiterhin vorgesehen, daß Materialbahnen, Folien oder schalenförmige Behälterteile in der Weise beulverformt werden, daß kegelstumpfförmige, beulstrukturierte Halbzeuge oder Bauteile entstehen. Kegelstumpfförmige Bauteile, z. B. Eimer, Transportbehälter oder Trinkbecher, haben den Vorteil, daß sie raumsparend ineinander gestapelt werden können. Kegelstumpfförmige Bauteile sollen aus Festigkeits- und optischen Gründen trotz veränderlichen Durchmessers dieselbe Anzahl von Beulen in Umfangsrichtung haben. Erfindungsgemäß werden deshalb die Parameter: Abstand h der Stützspirale bzw. -ringe und die Wanddicke so gewählt, daß bei gleichem hydraulischen Beuldruck trotz veränderlichem Durchmesser jeweils dieselbe Anzahl von Beulen in Umfangsrichtung entsteht. Alternativ werden erfindungsgemäß vorzugsweise kegelstumpfförmige Druckwalzen für die Beulverformung verwendet, wobei der örtliche Beuldruck durch eine veränderliche Winkelneigung zwischen der Druckwalze einerseits und dem mit den Stützelementen versehenen Mantel andererseits variabel einstellbar ist. Hierbei sind flexible oder pneumatische glatte und/oder genoppte Druckwalzen von Vorteil.

Erfindungsgemäß ist können rotationssymmetrische Bauteile auch dadurch beulartig dadurch verformt werden, daß elastische oder pneumatische und/oder profilierte Druckwalzen verwendet werden, wobei die örtlichen Beuldrücke vorzugsweise durch die Balligkeit der Druckwalzen - so gewählt werden, daß vorzugsweise trotz veränderlichem Durchmesser dieselbe Anzahl Beulen in Umfangsrichtung entstehen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß kugelschalenförmige oder ellipsoide, dünne Wände oder Folien beulverformt werden. Beispiele hierfür sind kugelförmige Behälter, Kalottenböden für zylindrische Be­ hälter oder ellipsoide Schalen, die trotz dünner Wandstärke eine hohe Formstabilität besitzen. Vorzugsweise werden nach der Erfindung als Stützelemente entweder eine dichte Kugelpackung oder eine Mantelschale, die außenseitig mit beabstandeten Kugeln, Kugelhälften oder sonstigen runden Stützelementen versehen ist, verwendet. Die Beulstruktur der zu verformen­ den kugelförmigen, dünnen Wände oder Folien stellt sich durch äußeren Überdruck oder inneren Unterdruck selbständig ein, wobei vorzugsweise 6-eckige und/oder 5-eckige Beulstrukturen entstehen.

Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind in den übrigen Unteransprüchen beschrieben. Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der beiliegenden Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben; es zeigt

Fig. 1a, 1b, 1c, 1d, 1e den schematischen Quer­ schnitt durch unterschiedliche Arten der flexiblen Stützelemente auf einem Zylinder­ mantel;

Fig. 2a den schematischen Querschnitt durch eine Vorrichtung mit elastischen Packungen für die Beabstandung von flexiblen Stützelementen;

Fig. 2b den schematischen Querschnitt durch eine Vorrichtung mit Mulden im Mantel für die Beab­ standung von flexiblen Stützelementen;

Fig. 3a die Aufsicht auf eine Beulstruktur, mit steifen Stützelementen ausgestatteten Vor­ richtung hergestellt;

Fig. 3b die Aufsicht auf eine Beulstruktur, mit flexiblen Stützelementen ausgestatteten Vor­ richtung bei geringem Beuldruck hergestellt;

Fig. 3c die Aufsicht auf eine Beulstruktur, mit flexiblen Stützelementen ausgestatteten Vor­ richtung bei großem Beuldruck hergestellt;

Fig. 3d die Aufsicht auf eine Beulstruktur, mit flexiblen Stützelementen ausgestattete Vor­ richtung bei großem Beuldruck und Mantel­ auflage hergestellt;

Fig. 4a den schematischen Querschnitt durch eine Vorrichtung mit auf dem Mantel fest beabstan­ deten, flexiblen Stützringen;

Fig. 4b den schematischen Querschnitt durch eine Vorrichtung mit auf dem Mantel fest beabstan­ deten, flexiblen Stützscheiben;

Fig. 5 schematisch den Aufbau einer Vor­ richtung zur Herstellung von beulstrukturier­ ten Materialbahnen mit einer flexiblen Druck­ walze und mit einem mit Stützelementen be­ setzten Mantel;

Fig. 6 schematisch den Aufbau einer Vor­ richtung zur Herstellung von beulstrukturier­ ten Rohren mit zwei äußeren Druckwalzen und mit einer inneren Stützschnecke;

Fig. 7 schematisch den Aufbau einer Vor­ richtung zur Herstellung von beulstrukturier­ ten Rohren mit einer äußeren Druckmanschette und einer inneren Stützschnecke;

Fig. 8 schematisch den Aufbau einer Vor­ richtung zur Herstellung kegelstumpfförmiger, beulstrukturierter Bauteile mit zwei kegel­ stumpfförmigen Walzen;

Fig. 9 schematisch den Aufbau einer Vor­ richtung zur Herstellung kugelförmiger, beul­ strukturierter Bauteile.

Fig. 10 schematisch den Aufbau einer Vor­ richtung zur Herstellung kugelschalenförmi­ ger, beulstrukturierter Bauteile.

Die in Fig. 1a, 1b, 1c, 1d und 1e dargestellten Vorrichtungen zeigen schematisch die Querschnitte von unterschiedlichen Arten der flexiblen Stützelemente. Es zeigen:

Fig. 1a kreisrunde Stützelemente 3;

Fig. 1b ovale Stützelemente 4;

Fig. 1c rechteckige Stützelemente 5;

Fig. 1d trapezförmige Stützelemente 6;

Fig. 1e dreieckförmige Stützelemente 7.

In Fig. 1 ist in allen Ausführungsformen nach Fig. 1a bis 1e mit 1 ein Trägerrohr mit einem Mantel 1 dargestellt. Mit 2 ist jeweils das zu bearbeitende beulende Material bezeichnet. Das Material 2 wird in allen Ausführungsformen durch die vorstehend beschriebenen flexiblen Stützelemente auf Abstand von dem Mantel 1 gehalten. Die Stützelemente haben voneinander den Abstand h. Die Stützelemente sind hier als Ringe ausgebildet. Sie können auch spiralförmig verlaufen, pneumatisch oder hydraulisch auf­ spannbar sein, oder als Ketten ausgebildet sein.

Bei einer Beaufschlagung von außen mit Druck, die unten noch erläutert wird, bilden sich im Material 1 Beulen. Der Druck beträgt im Ausführungs­ beispiel bei dünnwandigem Metallrohr (mit einem Durchmesser von kleiner/gleich 2 mm) 1 bis 8 atü. Die Beulentiefe stellt sich in Abhängig­ keit von dem Druck ein. Die Form und Anordnung der Beulen wird unten erläutert.

Ein Gleitmittel zwischen den flexiblen Stützelementen und dem Mantel 1 einerseits und der Materialbahn 2 andererseits kann die axiale Verformung der Stützelemente erleichtern.

Zusätzliche Abstandsvorrichtungen gewährleisten die Beab­ standung der flexiblen Stützelemente. Der in der Fig. 2a dargestellte Querschnitt der Vorrichtung zeigt elastische Packungen 8 zur Beabstandung der Stützelemente 3 auf dem Mantel 1.

Der in der Fig. 2b dargestellte Querschnitt der Vorrichtung zeigt flache, umlaufende Mulden 9 im Mantel 1, die gleichfalls der Beabstandung der Stützelemente 3 förderlich sind.

Fig. 3a zeigt die Aufsicht der Beulstruktur einer abgewickelten, metallischen Materialbahn, die nach dem oben beschriebenen älteren Verfahren mit steifen Stützringen beulartig verformt wurde. Es entstehen quadratische oder rechteckförmige, versetzte Beulstrukturen, wobei die geraden Beulknicke 10 die Linien der steifen Stützringe abbilden. Die Längen der axialen Beulknicke 11 entsprechen dem Abstand h der Stützringe 3 in Fig. 1a.

Bei der Verwendung von flexiblen Stützelementen entstehen vorzugsweise 6-eckförmige Beulstrukturen, wobei die Beulen zu den benachbarten Beulen versetzt sind. Fig. 3b zeigt die Aufsicht einer abgewickelten Materialbahn, die in einer Vorrichtung mit flexiblen Stützelementen mit geringem Druck beulverformt wurde. Die Länge der axialen Beulknicke 11 ist gegenüber dem Abstand h der Stützelemente (vor der Beulverformung) etwas reduziert. Die Beulknicke 10 nehmen einen zickzackförmigen Verlauf an. Durch Steigerung des Beuldruckes wird die Länge der axialen Beulknicke 11 weiter reduziert, so daß schließlich angenähert symmetrische, 6-eckförmige Beulstrukturen entstehen (Fig. 3c).

Fig. 3d zeigt die Aufsicht einer abgewickelten Materialbahn, die in einer Vorrichtung mit dünnen Stützelementen nach Fig. 1a (mit kleinem Kreisquerschnitt) beulartig verformt wurde, wobei sich die Beulmulden 12 der Materialbahn an den Mantel andrücken und mittig abflachen. Diese abgeflachten Beulmulden haben den Vorteil, daß auf diese Weise beulprofilierte Materialbahnen sandwichweise übereinandergelegt und in ein­ facher Weise verbunden werden können. Weiterhin erhalten beulprofilierte Materialien mit abgeflachten Mulden ein günstiges visuelles Aussehen.

Die in Fig. 4a dargestellte Vorrichtung zeigt den Querschnitt eines Mantels 1 mit auf dem Mantel fest verbundenen, aber flexiblen Stützringen 13. Die flexiblen Stützringe 13 werden auf ihrem Umfang durch die Beulverformung der Materialbahn 2 axial verformt und nehmen in Umfangsrichtung eine zickzack-förmige Linie an. In analoger Weise dienen die in Fig. 4b im Mantel 1 beabstandet angeordneten, flexiblen Scheiben 14 als Stützelemente. Je nach Nachgiebigkeit bzw. Festigkeit werden die Stützringe 13 bzw. die Scheiben 14 mehr oder wenig axial verformt.

Die Fig. 5 zeigt schematisch den Aufbau einer Vorrichtung mit mechanischer Vermittlung des Beuldruckes. Die Vorrichtung ist zur kontinuierlichen Herstellung von beulstrukturierten Materialbahnen geeignet.

Über den zylindrischen Mantel 1 mit Stützelementen 3 wird die Materialbahn 2 gebogen und transportiert. Eine flexible, glatte Druckwalze 15 überträgt den für die Beulverformung erforderlichen Druck auf die Materialbahn. Die Elastizität der Druckwalze 15 und deren Durchmesser sind im Ausführungsbeispiel so gewählt, daß im Eingriffsbereich der Druckwalze 15 durch den für die Beulverformung der Materialbahn erforderliche Druck ein Segment von ca. zwei Beulen in Umfangsrichtung der Materialbahn beulverformt wird. Die Segmentbetrachtung dient nur der Erläuterung des Eingriffsbereiches. Im Betrieb erzeugen der zylindrische Mantel 1, die Stützele­ mente 3 und die Druckwalze 15 eine fortlaufende Reihe von Beulen. Die Druckwalze 15 besteht im Ausführungsbeispiel aus Gummi. Wahlweise kann der Eingriffsbereich auch weniger als zwei Beulen oder mehr umfassen.

In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt die flexible Druckwalze aus Gummi oder aus einem anderen Elastomer eine beulprofilierte oder genoppte, versetzte Oberfläche, die den Abständen der Stützelemente 3 entspricht. Die Noppen sind entweder aus einem flexiblen oder steifen Material. Die Noppen haben eine Form, die im Ausführungsbeispiel kleiner als die Form der vorgesehenen Beulen ist. Die Noppen verursachen eine Initialwirkung bei der Entstehung der Beulen. Trotz der kleineren Form der Noppen werden die entstandenen Beulen aufgrund der Verformung der Gummiwalze und aufgrund des Druckes im Eingriffsbereich im Ausführungsbeispiel von dem Gummi der Druckwalze voll ausgefüllt.

In einem weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist steife Druckwalze mit einer beulprofilierten Oberfläche oder mit einer genoppten, versetzten Oberfläche vorgesehen. Auf diese Weise können auch dickwandige Materialbahnen beulverformt werden. Die Noppen sind aber so profiliert, daß zwar ein Einbeulen, aber keine für ein Tiefziehen charakter­ istische Materialverformung entsteht.

Die in der Fig. 6 dargestellte Vorrichtung zeigt den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Herstellung beulstrukturierter Rohre, auch von großer Länge. Das zu verformende Rohr 16 wird axial transportiert und auf seiner Innenseite durch eine Schnecke 17 gestützt. Die Schnecke 17 besitzt eine Gangweite h und stellt die beabstandeten Stützelemente dar. Zwei rotierende Druckwalzen 18 und 19 nach Art der Druckwalze 15 werden in Höhe der Schnecke 17 in Umfangsrichtung um das zu verformende Rohr 16 geführt und drücken das Beulprofil in das Rohr ein. Durch die synchronen Drehungen der Schnecke 17 einerseits und der Druckwalzen 18 und 19 andererseits wird das beulverformte Rohr in axialer Richtung transportiert.

Die Druckwalzen 18 und 19 bestehen wie die Druckwalze 15 aus einem flexiblen, glatten Material, hier Gummi. Die Elastizität der Druckwalzen 18 und 19 ist wiederum so gewählt, daß durch den Druck auf das Rohr ein Walzensegment gedrückt wird, das in Umfangsrichtung des Rohres ca. zwei Beulen entspricht. Vorzugsweise sind die Druckwalzen 18 und 19 ballig geformt und etwas axial mit dem Winkel gegenüber dem zu verformenden Rohr angeordnet. Hierdurch erzeugen die Druckwalzen 18 und 19 ein Druckgefälle entgegen der Transportrichtung des Rohres. Auf diese Weise entsteht eine kontinuierliche Beulstruktur in axialer Richtung des Rohres.

Die beiden Druckwalzen können - wahlweise auch zusammen mit weiteren Druckwalzen - nach der Erfindung auch genutzt werden, um eine schrittweise Einbeulung zu erreichen. Z. B. kann von zwei Druckwalzen die eine mit Noppen versehen sein und die Aufgabe haben, die Beulung zu initiieren, und die andere ohne Noppen die Aufgabe haben, die Beulung zu vollenden.

Alles kann nach der Erfindung auch mit einer mehrgängigen Schnecke kombiniert werden.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 werden die Druckwalzen angetrieben. Die Druckwalzen laufen um das Rohr.

Statt dessen oder auch gemeinsam mit den Druckwalzen kann das Rohr angetrieben werden.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig 6 wird das beulartig zu verformende Rohr 16 in axialer Richtung bewegt. Die synchron rotierenden Druckwalzen 18 und 19 sind ortsfest angeordnet. Die Schnecke 17 ist ebenfalls ortsfest angeordnet. Dieses Verfahren eignet sich vorzugsweise zur diskontinuierlichen Beulverformung von einzelnen Rohren.

Die in der Fig. 7 dargestellte Vorrichtung zeigt den schematischen Aufbau einer weiteren Vorrichtung zur Herstellung beulstrukturierter Rohre großer Länge. Das zu verformende Rohr 16 wird innen durch eine Schnecke 17 gestützt und außen von einer zylindrischen Druckmanschette 20 umgeben.

Während sich das Rohr mit einer kontinuierlichen, axialen Geschwindigkeit fortbewegt, werden die Druckmanschette 20 und die Schnecke 17 simultan eine begrenzte Wegstrecke mitbewegt. Während dieser Zeit wird der Druck in der Druckmanschette 20 entgegen der Transportbewegung des Rohres dadurch aufgebaut, daß ein kompressibles Medium (z. B. Druckluft) in die Druckmanschette 20 einströmt und durch Reibungsverluste bei der Umströmung der Lamellen einen Druckgradienten erzeugt. Nach der Beulverformung der Rohrwand wird die Druckmanschette 20 druckentlastet und in die Ausgangslage zurückbewegt. Gleichzeitig wird die Schnecke 17 zurückgedreht. Dieser Vorgang wiederholt sich in der beschriebenen Weise. Um die Reibungskräfte zwischen der inneren Rohrwand und der Schnecke 17 während des Zurückdrehens zu verringern, wird der Durchmesser der Schnecke 17 etwas reduziert, vorzugsweise durch eine mechanische Verwindung der Schnecke 17. Alternativ kann eine pneumatische Schnecke verwendet werden.

Wahlweise sind die Schnecke und die mechanische bzw. pneumatische oder hydraulische Vorrichtung so ausgelegt, daß sich der Durchmesser variieren läßt. Damit wird die axiale Bewegung erleichtert.

Die Schnecke kann auch durch ein aufgewickeltes Band gebildet werden. Das Band wird über den Mantel gewickelt.

Die in der Fig. 8 dargestellte Vorrichtung zeigt den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Herstellung kegelstumpfförmiger, beulstrukturierter Bauteile. Auf dem kegelstumpfförmigen Mantel 21 sind die Stützringe 22 in der Weise beabstandet angeordnet, daß die Abstände h zwischen den Stützringen 22 mit zunehmendem Durchmesser des Kegelstumpfes größer werden. Diese Beabstandungen sind vorgesehen, damit bei konstanter Wandstärke des zu verformenden kegelstumpfförmigen Materials 23 trotz veränderlichem Durchmesser des Kegelstumpfes eine konstante Anzahl der Beulen je Umfang gebildet wird. Zugleich ist der Beuldruck im Bereich der größeren Kegelstumpfdurchmesser niedriger als im Bereich der kleineren Kegelstumpfdurchmesser. Deshalb wird nach der Erfindung zwecks variabler Beuldruckeinstellung die kegelstumpfförmige, elastische Druckwalze 24 gegenüber dem kegelstumpfförmigen Mantel 21 mit einem variablen Winkel geneigt und angedrückt wird.

Wie die andere Druckwalze 15 kann die Druckwalze 24 auch eine beulprofilierte oder mit versetzten Noppen versehene Oberfläche besitzen. Da durch das Oberflächenprofil der Druckwalze 24 die Beulstrukturen vorgezeichnet werden, müssen die Abstände h der Stützringe nicht so exakt eingehalten werden, wie im Fall der elastischen, glatten Druckwalze ohne Noppen.

Nach der Erfindung ist die Wanddicke des kegelstumpfförmigen Bauteils 23 mit steigendem Kegelstumpfdurchmesser in der Weise größer gewählt, daß die Beulverformung bei einem einheitlichen Druck stattfinden kann.

Die in der Fig. 9 dargestellte Vorrichtung zeigt den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Herstellung kugelförmiger, beulstrukturierter Bauteile 25. Es werden Kugeln 26 durch die Öffnung 27 eingefüllt, so daß eine dichte Kugelpackung entsteht. Die äußeren Kugeln dienen als beabstandete, punktförmige Stützelemente für die Beulverformung des kugelförmigen Bauteils 25. Der Beuldruck wird, vorzugsweise bei dünnen Wänden aus Kunststoffen, durch inneren Unterdruck (Vakuumanschluß 28) und/oder durch äußeren Überdruck (Eintauchen in eine Flüssigkeit 29) auf die zu verformende Wand geprägt. Es entstehen vorzugsweise 6-eckige und 5- eckige Beulstrukturen in der kugelförmigen Wand. Nach der Beulverformung können die Kugeln 26 durch die Öffnung 27 wieder entfernt werden.

Die in der Fig. 10 dargestellte Vorrichtung zeigt den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Herstellung kugelschalenförmiger, beulstrukturierter Bauteile 30. Als Stützelemente dienen auf einem Kugelschalenmantel 31 beabstandet angeordnete Stützelemente, vorzugsweise kleine Kugeln oder Kugelhälften 32. Mittels eines elastischen Rundschnurrings 33 und eines äußeren Spannrings 34 werden die zu verformende Kugelhalbschale 30 und der Kugelmantel 31 dicht miteinander verbunden. Der Beuldruck wird in analoger Weise zu Fig. 9 durch inneren Unterdruck und/oder äußeren Überdruck erzeugt.

Nach der Erfindung können in analoger Weise zu Fig. 9 und Fig. 10 schalenförmige und/oder rotationssymmetrische, beulstrukturierte Bauteile, bevorzugt Kalottenböden oder ellipsoide Hohlkörper oder Schalen, her­ gestellt werden. Diese Bauteile besitzen eine hohe Formsteifigkeit bei geringem Raumgewicht.

Nach der Erfindung können auch zylindrische und kegelstumpfförmige und schalenförmige, beulstrukturierte Bauteile zusammengefügt werden. In Sonderfällen werden zylindrische und kegelstumpfförmige und schalen­ förmige, dünnwandige Teile (inclusive der Stützelemente) miteinander verbunden und dann gleichzeitig durch inneren Unterdruck und/oder äußeren Überdruck beulverformt. Auf diese Weise können komplizierte, mehrdimensionale Bauteile mit hoher Formsteifigkeit bei geringem Raumgewicht hergestellt werden. Anwendungsbeispiele sind formsteife Leicht­ baukonstruktionen für die Verkehrs-, Luftfahrt- oder Medizintechnik. Bei Sandwichkonstruktionen oder Prothesen (Knochenersatz) bewirkt die beulstrukturierte Oberfläche zusätzlich eine verbesserte Haftung der Sekundärstoffe.

Claims (34)

1. Verfahren zur Beulverformung dünner Materialbahnen und Folien, bei dem die Materialbahnen und Folien dazu beabstandet abgestützt und mit einem Unter- oder Überdruck beaufschlagt werden nach Patent P 43 11 978 dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine zu strukturierende Materialbahn (2) auf flexible, beabstandete Stützelemente (3, 4, 5, 6, 7) gebogen wird und segmentweise in zeitlicher Folge durch Überdruck von außen oder Unterdruck von innen beaufschlagt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrdimensionale, versetzte Beulstrukturen erzeugt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sechseckige Beulen erzeugt werden.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß flexible Ringe (3, 4, 5, 6, 7) oder eine flexible Spirale (17) verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Stütz­ elemente (3, 4, 5, 6, 7) mit einer runden oder ovalen oder rechteckigen oder trapezförmigen oder dreieckigen Querschnittsfläche verwendet werden.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Ketten oder pneumatische Ringe oder pneumatische Spiralen als Stützelemente verwendet werden.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwecks Beabstandung der flexiblen Stützelemente elastische Packungen verwendet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Packungen (8) aus Elastomeren, Weich-Kunststoff oder Metallgeweben verwendet werden.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich­ net, daß zwecks Beabstandung die flexiblen Stützele­ mente in umlaufenden, flachen Mulden (9) des Mantels ange­ ordnet werden.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Stützelemente verwendet werden, die in axialer Richtung beweglich oder fest angeordnet sind.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Stütz­ elemente (13) verwendet werden, die in den Mantel eingefügt sind.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ringförmige oder scheibenförmige Stützelemente (3, 4, 5, 6, 7; 13) verwendet werden.

13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß für die Beulverformung Segmente mit zwei oder mehrere einzelne Beulen in Umfangsrichtung mit äußerem Überdruck oder innerem Unterdruck beaufschlagt werden.

14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß bei der segmentweisen Beulverformung glatte Materia­ lien für die Druckerzeugung verwendet werden.

15. Verfahren nach Anspruch 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei der segmentweisen Beulverformung profilierte Materialien, welche die Konturen der versetzten Beulstrukturen enthalten, für die Druckerzeugung verwendet werden.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß Materialien mit Noppen verwendet werden.

17. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine hydraulische, glatte oder profilier­ te Druckmanschette für die segmentweise Beulverformung verwendet wird.

18. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Band, welches über den mit Stützele­ menten versehenen Mantel gespannt wird, für die Drucker­ zeugung der segmentweisen Beulverformung verwendet wird.

19. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine flexible Druckwalze (15) für die Druckerzeu­ gung der segmentweisen Beulverformung verwendet wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß eine Druckwalze (15) aus einem elastomeren Werkstoff verwendet wird.

21. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine pneumatische Druckwalze für die Druckerzeugung der segmentweisen Beulverformung verwendet wird.

22. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß eine steife Druckwalze mit einer profilierten Oberfläche für die Beulverformung verwendet wird.

23. Verfahren nach Anspruch 1, 8 bis 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwei oder mehrere Drucksegmente für die Beulverformung verwendet werden, wobei die erste Druckwalze mit versetzten Noppen eine grobe Beulstruktur einprägt und eine folgen­ de, flexible Druckwalze die Beulfalten weiter ausbildet.

24. Verfahren nach Anspruch 23, gekennzeichnet durch die Verwendung von zwei Druckwalzen.

25. Verfahren nach Anspruch einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß Rohre beulverformt werden, indem als Spirale eine ein- oder mehrgängige Schnecke und zur Aufprägung des Beuldruckes ein oder mehrere Druck­ segmente verwendet werden.

26. Verfahren nach Anspruch 25, gekennzeichnet durch die Verwendung von zwei umlaufenden Druckwalzen.

27. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekenn­ zeichnet, daß für eine kontinuierliche oder diskontinu­ ierliche Herstellung beulverformter Rohre eine flexible Druckmanschette und eine Schnecke, die während der Druckbeaufschlagung diskontinuierlich zum Rohr mitbewegt werden, verwendet werden.

28. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der äußere Durchmesser der Schnecke durch eine mechanische oder pneumatische Vorrichtung variiert wird.

29. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß kegelstumpfförmige oder ähnliche dünne Schalen oder Folien beulver­ formt werden, indem als Stützelemente beabstandete, flexible oder steife Ringe oder Spiralen verwendet wer­ den und die Stützelementabstände sowie die Dicken der zu verformenden dünnen Wände so gewählt werden, daß bei gleichem hydraulischen Beuldruck dieselbe Anzahl von versetzten Beulen je Umfang des Kegelstumpfes bzw. des Bauteils entstehen.

30. Verfahren nach Anspruch 29, gekennzeichnet durch die Anwendung auf rotationssymmetrische Bauteile.

31. Verfahren nach Anspruch 30 oder 31, dadurch ge­ kennzeichnet, daß kegelstumpfförmige oder ähnliche dünne Schalen oder Folien beulverformt werden, indem flexible und/oder profilierte Druckwalzen mit angepaßter Winkeleinstellung und/oder Balligkeit verwendet werden.

32. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß schalenförmige, dünne Wände oder Folien beulverformt werden, indem als Stützelemente entweder eine dichte Kugelpac­ kung oder eine Mantelschale, die außenseitig mit beab­ standeten Kugeln, Kugelhälften oder sonstigen runden Stützelementen versehen ist, verwendet wird.

33. Verfahren nach Anspruch 32, gekennzeichnet durch die Anwendung auf kugelschalenförmige oder ellipsoide, dünne Wände oder Folien.

34. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß das beulverformte Bauteil mit einem weiteren beulverformten Bauteil und/oder mit einer glatten Schale verbunden wird.