EP1760216A2 - Structured material web made from a web material and method of making - Google Patents
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- EP1760216A2 EP1760216A2 EP06018314A EP06018314A EP1760216A2 EP 1760216 A2 EP1760216 A2 EP 1760216A2 EP 06018314 A EP06018314 A EP 06018314A EP 06018314 A EP06018314 A EP 06018314A EP 1760216 A2 EP1760216 A2 EP 1760216A2
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- material web
- beads
- web
- curvature
- structured
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- E04—BUILDING
- E04C—STRUCTURAL ELEMENTS; BUILDING MATERIALS
- E04C2/00—Building elements of relatively thin form for the construction of parts of buildings, e.g. sheet materials, slabs, or panels
- E04C2/30—Building elements of relatively thin form for the construction of parts of buildings, e.g. sheet materials, slabs, or panels characterised by the shape or structure
- E04C2/32—Building elements of relatively thin form for the construction of parts of buildings, e.g. sheet materials, slabs, or panels characterised by the shape or structure formed of corrugated or otherwise indented sheet-like material; composed of such layers with or without layers of flat sheet-like material
- E04C2/326—Building elements of relatively thin form for the construction of parts of buildings, e.g. sheet materials, slabs, or panels characterised by the shape or structure formed of corrugated or otherwise indented sheet-like material; composed of such layers with or without layers of flat sheet-like material with corrugations, incisions or reliefs in more than one direction of the element
Definitions
- the invention relates to a structured material web of a web material, in particular sheet material web, and method for manufacturing.
- the multidimensionally stiffening structures of thin material webs play a very special role, because they give the component a high multidimensional rigidity and further advantageous synergistic properties despite the reduced wall thickness.
- the known bulge / vault structured material webs have disadvantages if the above-mentioned complex, often contradictory requirements are to be met.
- the existing disadvantages will be explained in more detail below.
- the folds of the bulge / vault structured materials have small bending radii, as they occur when a material is folded. There, the material of the structured material web is much more reshaped, and therefore the material is comparatively highly plasticized in the area of the folds. Because the folds are always narrow and therefore occupy only a very small area and yet contribute significantly to the dimensional stability of the structured material, the material in the region of the folds in the load case of the structured component is subjected to relatively high stress. In this way, small visible or even invisible to the naked eye cracks, such as microcracks occur in the folds, in which dirt or bacteria can accumulate.
- the traps enclosed by the folds occupy by far the largest part of the surface of the material web and are only slightly deformed in the load case, because the depression as a three-dimensional shell is very particularly dimensionally stable.
- This relationship can be understood in a somewhat simplified way so that the narrow folds are regarded as flexible "hinges” and the trough as very rigid elements. It follows immediately that the folds the Danger of a "predetermined breaking point" with high static load, with fatigue load, with thermal cycling and in the event of a crash.
- bulge / vault structured material webs behave very torsionally soft and at the same time unstable especially at low Beulfalten. They "flip" easily with small torsional loads back and forth.
- the wells which are also referred to as bulges, especially in large structural wells, have no uniform and no spherical surface-like curvature.
- the wells of the known bulge / bulge structures in the adjacent region of their folds have very irregular curvatures, because the geometric transition from the narrow folds of a hexagon to the enclosed well causes unavoidable, disturbing transitions.
- This is undesirable, particularly in lighting technology, because this means that it is not possible to realize a uniform, namely direction-independent, glare-free light reflection on the reflectors of luminaires.
- a major disadvantage of the known buckling / bulge structures is that, despite the large plasticizing reserves in the region of their wells, a large structural depth of the bulge / bulge structure can not be achieved for optimum shape rigidity, without risking the material in the area the considerably plasticized fold breaks during the structuring itself or during the subsequent component loading.
- This is not possible with the help of the known support structures, which has an involute on its supporting flanks (cf. EP 0 888 208 ), because here too structural folds arise that still have disturbing geometric transitions from the narrow folds to the trapped hollows. Until now, it has not been possible to state concretely how such an involute should be optimally geometrically designed.
- the wrinkles occupy only a very small area of the beulFig mandating material web in comparison to the trough, the wrinkles are strained in disproportionate straightening and thereby highly plasticized. Because of the elongation of the troughs, the folds are stretched transversely to the direction of travel of the material web at the same time and thereby drawn slightly flatter.
- the pleats are compressed in the direction of the material web, whereby the pleat height is increased, while the pleats are stretched transversely to the material web, so that the pleat height is reduced.
- the pleat height in the direction of the material web is approximately twice as great as the pleat height transversely to the direction of travel of the material web. This results in a strong unwanted anisotropy in the bending, shear and torsional stiffness of the directed structured material web.
- the known bulge / vault structured material webs can not or only very difficult bend or edge, when the bending radius is considerably smaller than the radius of the support roller used for producing the bulge / bulge structures.
- the known method for the secondary deformation bulge / wölb Modellierter material webs quickly reaches its limits when the folds and troughs have to be bent much closer together in order to achieve a small radius of curvature of the material web.
- the troughs and possibly also the folds buckle during tight bending, because they are unstable by high voltage spikes in the material.
- the disadvantage here is that then for the entire material web to select considerably smaller structure sizes and depths to the kicking to avoid bending, which in turn give the flat or slightly curved wall sections of the workpiece only a low stiffness.
- the object of the invention is to provide an improved structured material web and a method for producing in which the disadvantages of the prior art are overcome, in particular the disadvantages due to the fold structure. Furthermore, a material-friendly straightening of the structured material web should be made possible. Furthermore, the improved structured material web should allow tight bending.
- a structured material web of a web material, in particular sheet material web, having a wavy and three-dimensional structure is formed, which is formed with beads and of the beads enclosed domes, wherein the beads are made continuous and have a curvature, the opposite to the curvature of the calotte is.
- a method for producing a structured material web in particular a structured sheet material web, in which a material web of a web material is provided by means of beads and beads enclosed by the beads with a wavy and three-dimensional structuring, wherein the beads be formed contiguous and with a curvature which is opposite to the curvature of the calotte.
- the beads in the structured material web are comparatively less plasticized, substantially free of cracks and can absorb significantly greater loads and deformations than the known narrow Beulfalten.
- the beads behave much less sensitive and more stable against thermal expansion obstacles in thermal cycling and vibration loads.
- the beads differ from the known beul- / wölb réelle striving wrinkles in terms of their radius' in relation to the thickness of the web. These relationships are influenced in particular by the nature of the material used for the material web, the shape of the supporting elements used in the production in the structuring process and the thickness and the Shore hardness of elastic interlayer for three-dimensional wavy structuring. These relationships arise from the manufacturing process, which is explained in more detail below. The following two statements quantify these relations by way of example. In a first case, a sheet of aluminum sheet of thickness 0.3mm is provided with a crest-like structure, ie hexagonal structures with slightly curved beads / calottes, the key width 33mm.
- the ratio of bending / radius of curvature of the bead to the material thickness (of the three-dimensional wave-structured material web) is about 13.
- the ratio of bending / bending radius of the known in the prior art fold to the material thickness (buckling / vault structure), however, is about 5.
- the ratio of the bending radius of the bead to the material thickness is about 16.
- the ratio of the bending radius of the known fold to the material thickness is 7.
- an elastic intermediate layer of thickness 4 mm and Shore hardness was used to produce the bead 60 used.
- the ratio of the value for the bending / bending radius in the region of the calottes to the value of the material thickness is therefore preferably at least about 8, preferably at least about 10 and more preferably at least about 15.
- a preferred embodiment of the invention provides that the calottes in a central Kalotten Scheme have a shape which is at least approximated to a spherical shell shape.
- the beads are formed contiguously according to one or more basic geometrical shapes of the following group of geometric shapes: triangle, square, in particular square, rectangle, rhombus or parallelogram, pentagon, hexagon and Octagon.
- the beads are formed according to a uniform geometric basic shape.
- the beads and / or the calotte are each formed with a substantially uniform bead / dome height.
- the heights are very different.
- the pleats in the production direction are almost twice as high as the folds across the production direction, because when judging in the planar shape, the first wrinkles are compressed and thus increased, and the second wrinkles are stretched and thereby flattened. This results in an undesirable anisotropic bending stiffness of the structured material webs, which is now prevented in the invention.
- the web material is selected from a material from the following group of materials: metal such as aluminum, steel, stainless steel, magnesium, titanium, platinum alloys, plastic, fibrous materials, in particular paper and cardboard, fiber fabrics and mesh fabrics , Sheet metal materials are preferably used.
- metal such as aluminum, steel, stainless steel, magnesium, titanium, platinum alloys, plastic, fibrous materials, in particular paper and cardboard, fiber fabrics and mesh fabrics .
- Sheet metal materials are preferably used.
- the web material is formed in a sandwich construction, in which at least one intermediate web is arranged between two outer webs.
- a preferred embodiment of the invention provides that for at least a portion of the calotte a Kalottenober configuration is broadly diffuse reflective, wherein at least the part of the calotte is formed with the broadly diffusely reflecting Kalottenober configuration as deep calotte.
- a Kalottenober Structure is directionally reflective for at least a portion of the calotte, wherein at least the part of the calotte is formed with the directionally reflective Kalottenober measurements as a flat dome.
- the structured material webs on uniform, large and deep and approximately spherical domes, at the convex side of the light almost uniformly, d. H. essentially independent of the angle of incidence, and at the same time broadly diffused.
- the principle desired by the lighting industry of the so-called light point decomposition can be realized for glare-free or at least very low-glare light reflection even for the broad light scattering of large luminaires and indirect ceiling spotlights. Even with a reflection of the light on the concave side an improvement over the known bulge / vault structured material web is achieved.
- the sheet material is anodized aluminum sheet.
- the undulating and three-dimensional structuring is formed as a self-organizing structuring.
- a further advantageous embodiment of the invention may provide a curved portion, which is optionally designed as a bent portion and in which a curvature is formed with a narrow radius of curvature, wherein the beads and dome in the region of curvature are executed kink free.
- the bent version is made by bending.
- it is preferably provided that the curvature is formed in the direction of a curvature on an outwardly directed side of the calotte. While the known folds and their trapped hollows of buckling / buckling structures behave rigidly and buckle in bending or entanglement, surprisingly behave the beads quite different due to their gentle curves and their enclosed calottes.
- the beads When tightly bending the three-dimensionally wave-shaped structured material web, the beads can distribute bending, pushing and torsion-like quasi the high local bending loads on adjacent areas, by themselves, d. H. "entangle" without mechanical molds and thus “dodge” the danger of high voltages and instability.
- the zigzag beads of the material web are steplessly adjusted in their running direction in a hexagonal structure, so that they gradually align more and more in the direction transverse to the running direction of the material web, so to speak, "interlace" and thereby have a curved shape accept.
- the beads are shortened transversely to the direction of the web until they disappear completely.
- the material web from the zig-zag shape of the beads in the running direction of the material web finally becomes a serpentine bead which runs through transversely to the running direction of the material web.
- the special feature of the three-dimensional wave-like structure is therefore that it contains these "entanglements", namely Forming without mechanical tools, in the first place.
- Behind this "entanglement” is a general principle: Although the beads and the calottes represent a resistance to deformation due to their area moment of inertia ("third dimension"). However, they can avoid the high stresses and instabilities during forming, for example bending if the beads were already aligned somewhat obliquely to the direction of the material web before bending and then the beads during bending more and more oblique, ie transverse to the direction of the web, set.
- the structured material deforms by this type of entanglement by itself so that it avoids an external load without buckling.
- the geometric and material-technical non-linear laws play a crucial role. Similar phenomena can also be found in the living and inanimate nature.
- the above-described properties of the three-dimensionally wave-shaped structured material web enable the advantageous use of the material web for articles in different fields of application.
- These include non-circular tubes, for example, have an oval or elliptical cross-section, or curved channels, which consist of curved and flat circumferential wall sections that can be equipped with larger and deeper structures than when using the known buckling / Völb Modellen the case is.
- the maximum structure size and thus the rigidity is limited in the known buckling / arch structures downwards by the small radius of curvature of the oval or the ellipse.
- Oval or elliptical components with high overall stiffness are preferably used in the two following applications, with additional synergistic properties occur.
- glass production is to be mentioned here by way of example, for example as thin-walled oval or elliptical outgassing tubes made of platinum alloys, so-called "refining chambers".
- refining chambers Components for the molten glass, in particular for refining chambers, are subject to complex requirements. These include the compensation of thermal expansion disability, a uniform temperature distribution and the most uniform residence time of the molten glass in the components and the fastest possible escape of the gases from the molten glass. These requirements are explained in more detail below.
- the multi-dimensional, wave-shaped structured walls allow thermal expansion compensation to be compensated in both the axial and the radial (circumferential) direction.
- the three-dimensionally wave-shaped structured tube walls are superior to the known bulge / vault-structured tube walls, because they have opposite the narrow folds (in the bulge / bulge structures) beads, which are wide and gently rounded and occurring in the thermal expansion disability local stress peaks better and more uniform distribute adjacent areas of the pipe wall.
- the tube walls of the three-dimensional wave-shaped structured material webs are the known pipe walls (see. DE 100 51 946 A1 ) in terms of a uniform temperature distribution in the electrical heating of the pipe walls and a homogeneous residence time of the molten glass in the tubes and channels superior, because in the known pipes, the flow is alternately constricted and then widened again. This results in the low flow velocities of the molten glass, ie very small Reynolds numbers in the laminar range, to comparatively large "dead water areas". This is not the case with the three-dimensional wave-shaped structured pipe walls because their structures are arranged exactly offset in the flow direction and therefore the average hydraulic flow cross section of the pipe is constant everywhere.
- the accelerated degassing can also be realized and in addition the aforementioned disadvantages of the known pipe walls such as high local stresses caused by thermal expansion obstructions and occurring dead water areas can be avoided.
- the three-dimensional wavy structured walls of the expensive platinum alloys also have the significant economic advantage that, for example, with the same (usable) length of the refining chamber quite considerably less precious metal (platinum, rhodium or the like) is needed because the known tubes (see. DE 100 51 946 A1 ) when structuring compared to the originally smooth tubes greatly shorten on the order of at least 10%, while the three-dimensional wave-shaped tubes are structuring only very little (order of magnitude 1%) are gathered.
- oval-shaped or elliptical thin-walled tubes with a three-dimensional wavy structured wall relates to evacuated synchrotron tubes / channels, for example for brain tumor control using heavy ions.
- the fast heavy ions Prior to their medical use, the fast heavy ions are preferably "parked" in oval or elliptical, thin, for example, stainless steel tubes of a storage ring.
- the circular guide (storage ring) of the heavy ions are operated near the absolute zero at about 4 K in superconductivity.
- the thin-walled pipes must withstand the thermal stresses during start-up, in particular a temperature reduction of about 290 ° C, and shutdown of the plant, namely a temperature increase of about 290 ° C, certainly.
- these complex requirements such as bending into the oval-shaped or elliptical tube shape, the high overall stiffness by comparatively large and deep structures and further low stress compensation (thermal expansion) even at extreme thermal cycling fulfill.
- an advantageous embodiment of the invention provide that the beads and the dome are formed by the material web curved and then by an external pressurization on its inner side first against an elastic intermediate layer, which is arranged on rigid support elements, and then against the rigid support elements is pressed.
- an intermediate layer of a material or a combination of materials of the following group of materials is used as the elastic intermediate layer: elastomer, flexible material and fibrous material.
- the beads form with their gentle transition to the calotte particularly gentle on the material with the help of a quasi-free deformation of the web that between a curved material web and the support elements in addition an elastic intermediate layer is arranged and then this material web from the outside is pressurized.
- This elastic intermediate layer which is preferably considerably thicker than the material web thickness, preferably about a factor of 4 to 10, and has a Shore hardness of about 50 to 70, fulfills a different purpose than is the case with intermediate layers in the prior art.
- the material is deformed more uniformly and gently, whereby preferably deeper structures in the material web can be produced without the material breaking during the Shore hardness deformation.
- the rigid support elements are preferably made of rigid materials. But they can also consist of elastic materials.
- the elastic intermediate layer leads to the further important advantage that the multi-dimensional wavy structured material web has only a very small curvature in the direction of the material web immediately after structuring and therefore the subsequent straightening effort in the planar shape is low.
- the reason for this is that the material web is no longer bent so much around the support element core by a preferably thicker elastic intermediate layer and is therefore rather in a slightly curved shape during structuring and therefore the subsequent straightening process is much easier. This also improves the flatness of the material web.
- Exemplary experimental investigations show the difference between a three-dimensional wave-structured material web and a known bulge / vault structured Material web using the example of a steel sheet (DC 06) of thickness 0.8 mm and a hexagonal structure with the key widths of 50 mm.
- DC 06 steel sheet
- the three-dimensional wave-shaped structures which are produced with a 6 mm thick elastomeric interlayer of Shore hardness 60, results in a ratio of 1.2 compared to the ratio of 1.7 in the known between the bead heights in and across the direction of travel of the web bulge / vault structured structures.
- Another example shows the results for a 0.5 mm thick stainless steel sheet with the hexagonal wrench size 50 mm and when using the same elastomeric intermediate layer (6 mm, Shore hardness 60): The result is between the bead heights in and across the direction of travel of the material web Ratio of about 2.0 compared to the ratio of about 3.0 in the known bulge / vault structured structures.
- a third example with aluminum sheet (6061 T6) of thickness 0.6 mm and hexagonal wrench size 33 mm and using the same elastomeric intermediate layer (6 mm, Shore hardness 60) gives the following results: It results between the bead heights in and across the direction of the web Ratio of about 1.3 compared to the ratio of about 1.9 in the known bulge or vault structured structures.
- the method avoids a strong curvature during patterning, even with higher-strength materials, such as high-strength sheet metal and even fiber-reinforced plastics, improved directionality of the three-dimensionally wave-shaped structured materials results.
- An advantage of an elastomeric intermediate layer is in particular that the elastomer of the intermediate layer during pressing of the material web "flows" not only perpendicular but also parallel to the material web and thereby shear forces between the elastomer and the wall surface of the material web arise. These additional shear forces work together with the "common" broad support element that forms a broad and at the same time evenly curved bead (in contrast to the narrow Beulfalte the buckling / Völb Modell Schlieren) in the material web.
- the beads also facilitate the straightening of the three-dimensional wave-shaped structured material web in the planar shape. This can be explained by comparing the behavior of the folds of the known bulge / bulge structures with the bulges of the three-dimensional undulating structures. Both structures have in common that they are formed by hexagonal support elements from the curved smooth starting material web out. The hexagonal structures form on a cylinder circumference. In each case, three folds / bulges converge at the corner points of the hexagon to form a star point and, as a result of the cylindrical material web, each result in a small spatial triangular pyramid.
- this triangle pyramid has a spatial extent (large area moment of inertia), it behaves dimensionally stable and stable to external loads, because the external forces acting on the pyramid are low and low-voltage derived and distributed.
- the folds / bulges behave more or less like rods and the trapped depression sections almost like small shear fields.
- a pressure component made of an elastomer or an active medium is used for the external pressurization.
- an advantageous embodiment of the invention can provide that the rigid support elements are arranged on a core or in a tool, which / has a contour adapted to a desired bead structure of the beads.
- the additional elastic intermediate layer can be dispensed with.
- the contour of the rigid support elements is already formed according to the "common" support elements described above.
- the "common" support element results, as described above, from the originally narrow support element and the self-adjusting contour of the elastomer of the additional intermediate layer in the three-dimensional wave-like structuring.
- the diameter of the rigid support member roll may be selected to be similar to the radius of curvature of the web formed by the self-leveling elastic structuring process (which is greater than the radius of curvature of the original support roll).
- a wall thickness of 0.8 mm and a wrench size 50 mm results in a ratio of the diameter of the new support element roller without elastomeric intermediate layer to the diameter of the support element roller with elastomeric intermediate layer of about 1.5.
- a further expedient embodiment of the method for producing three-dimensionally wave-shaped structured material webs with the aid of an elastic intermediate layer is that a smaller number of support elements is arranged on the uniform support element roll circumference, so that larger structures are formed.
- the structured material web leaves the structure roller with a curvature corresponding to that of a correspondingly larger structuring roller without the use of the elastic intermediate layer.
- the advantage here is that the three-dimensional wave-shaped structures can be equipped in this way with deeper troughs. The structures are in this case more pronounced because a smaller number of structures on the same cylinder circumference has a larger angle section of a structure on the circumference of the cylinder result.
- the undulating and three-dimensional structuring is formed with a low curvature ("coil set") .
- curvature of the known bulge / vault structured material web is very large, because the structured material web closely adheres to the support element roll during structuring.
- a further embodiment of the invention provides that the three-dimensionally wave-shaped structured material webs is produced by means of a complete mechanical forming die (instead of a support element roll) into which the contours of an already three-dimensional wave-shaped structured material web are integrated by means of a mechanical production.
- the web to be structured is pressed with the aid of an active medium, for example an elastic or pneumatic / hydraulic pad or an elastic pressure roller, directly against the mechanical forming die and in this case three-dimensionally wave-shaped.
- an active medium for example an elastic or pneumatic / hydraulic pad or an elastic pressure roller
- a material web formed and produced in the manner described above can be used according to one of the illustrated embodiments, optionally after suitable further processing, in various applications by utilizing the described advantageous properties be, in particular as a structured material web for parts in vehicles, for example, a stiffening and impact energy absorbing reinforcing shell for a hood, a tailgate, a side part, a partition, a bottom part.
- the material is suitably used: steel, aluminum, titanium, magnesium or alloys thereof.
- the bead behaves much less sensitive to thermal expansion obstacles in thermal cycling and vibration loads.
- the greater deformability of the bead relative to the known fold of the failure case under external load especially at impact load shifted considerably further to greater loads. Therefore, three-dimensionally stiffened thin walls or foils or sandwiches are particularly well in the field of automotive engineering, such as for walls, roofs and body panels, aerospace for panels, awnings, enclosures, encapsulation, insulation and apparatus walls and in the cryotechnology (at low temperatures) and in thermal engineering (at high temperatures) suitable.
- the synergistic benefits of three-dimensional wavy structured materials are demonstrated in terms of high stiffness, low weight, and safety at different dynamic loads.
- the wave-shaped and three-dimensionally structured material web When used as an inner reinforcing shell, which is connected to an outer hood shell to protect the pedestrian during head impact, the wave-shaped and three-dimensionally structured material web has the significant advantage that even very deep structures can be produced, which for a uniform and at the same time impact energy absorbing effect in body-compatible head impact are better suited than the known hood shells (reinforcing shells) with the buckling / bulge structures, which in the documents DE 102 59591 A1 and in DE 10 2004 044 550 A1 are disclosed.
- These known hood shells still have the disadvantages that the maximum achievable structure depths are still unsatisfactory, and further the fatigue strength is still low in the dynamic load occurring due to the tight fold radii.
- the structuring with beads and calottes has the advantage that larger structure depths can be applied. Another advantage results from the fact that in comparison to the known tight fold of the bulge / bulge structures, the wider beads considerably less sensitive to local buckling in lateral striking the cans against each other (during their production or later during transport) or when gripping the filled Canned by the consumer behavior.
- the uniform spherical domes provide the advantage that even with large structures an exact point-like reflection is achieved according to the principle of light point separation.
- FIG. 1 shows schematically an apparatus for producing a conventional bulge / vault structured material web 9 according to the prior art with a support element core 3 and an elastic pressure roller 4.
- the disadvantage is that the bulge / vault structured material web 9, which consists of folds 10 (FIG. considerably more plasticized) and troughs 11 (comparatively flatter and more flattened), closely nestles during structuring of the support element core 3 and therefore leaves the structuring system with a very strong curvature. Therefore, the folds 10 and the troughs 11 are additionally deformed during subsequent straightening in the planar shape and thereby significantly plasticized.
- Fig. 2 shows schematically an apparatus for producing a wavy and three-dimensionally formed structuring of a material web 2, wherein a resilient pressure roller 4 presses a smooth material web 1 against an elastic intermediate layer 5 and the intermediate layer 5 against a support element core 3.
- a resilient pressure roller 4 presses a smooth material web 1 against an elastic intermediate layer 5 and the intermediate layer 5 against a support element core 3.
- the zig-zag-shaped beads can be seen in Fig. 2 only as line 7.
- the material web is uniformly deformed in the region of the beads 6 and comparatively only very little plasticized. Therefore, the contact pressure of the elastic pressure roller 4 can be further increased to produce even deep dome 8 in the structured material web 2 without the material tearing.
- the calottes 8 are preferably given an approximately spherical dome shape in hexagonal support elements.
- the three-dimensionally wave-shaped structured material web 2 exits from the structuring plant with a smaller curvature (so-called coil set) than is the case in FIG. 1.
- the structured material web 2 in FIG. 2 is somewhat prepared.
- the downstream alignment unit is not explicitly shown.
- Fig. 3 shows in the upper part of the cross section through a thin-walled round cylinder (dashed circle) and the sinusoidal, elastic shaft 12 (solid line), which adjusts at low external, all-round hydraulic pressure load (before the dynamic breakdown).
- the lower image shows after the dynamic breakdown with increased external, all-round hydraulic pressure load comparable to the known Beul Quiltieren, "garland-shaped" wave, which consists of the Beulfalten 10 and the bulge 11.
- the bulge 11 is in the form of an inner cosine half-wave, wherein the wavelength of this cosine half-wave is twice as large as that of the original sine half-wave. Due to the dynamic, not yet damped breakdown in the known buckling / vault structuring, the known Beulfalten 10 form with their very tight bending radii.
- FIG. 4 shows in the upper picture the cross section of a three-dimensional wave-shaped structured material web 2 in section A - A and in section B - B and in the lower picture the corresponding plan view with the positioning of these two sections.
- Fig. 5 shows in the upper part schematically an apparatus for producing a three-dimensionally wave-shaped structured material web 2 with wide support elements 13 on the support element core 3 and an elastic pressure roller 4.
- the width and the rounding of the support elements 13 preferably correspond to the width of the "common" adapted support element from the rigid support member and the pressed-on elastomer, whereby the comparatively wide beads 14 (modeled from the beads 6 in the material web 2 of FIG. 2) were produced.
- the elastomer of the pressure roller 4 in Fig. 5 without elastic intermediate layer 5 preferably receives a slightly higher Shore hardness than that
- the elastomer of the pressure roller 4 has a Shore hardness 60 in FIGS. 1 and 2, the elastomer of the pressure roller 4 in FIG. 5 having a Shore hardness 65 to be equipped to 70.
- the contact pressure of the pressure roller 4 are still significantly increased against the web to be structured, without the material of the web breaks.
- comparatively deep structures can be produced, for example, for the crash energy absorption of a hood or for sandwich structures with large wall stiffening due to a large moment of inertia at comparatively low weight or for example for a flow channel or a heat exchanger of two or more layered and interconnected structured material webs with a comparatively large flow cross-section, for example for gas-gas heat exchangers, are produced.
- a structure depth of more than 6mm can be achieved, while realized by the known buckling / Völb Modelltechnikshabilit in Fig. 1 only a structural depth of about 4mm can be. 5, the structured material web 2 is shown in a partially preformed shape (downstream alignment unit is not explicitly shown).
- FIG. 6 shows the cross section through a three-dimensionally wave-shaped structured material web 2 with deep, approximately spherical domes 8 for a broad, diffused light scattering.
- the three images show the reflection of the light in a uniform and broadly diffuse light scattering, which results from the fact that the incident light rays are reflected point-like and at the same time broadly diffuse at the uniformly curved and at the same time deep domes 8. This results in a glare-free or at least a very low-glare reflected light. If a less widely scattered light reflection is desired, flatter domes 8 are produced in that preferably the material web 1 is subjected to a lower pressure by the pressure roller 4 during structuring.
- the upper image and the middle image show that due to the approximately spherical cap shape even with different angle of incidence of the light, a point-like, diffuse light reflection is achieved.
- the lower picture shows an example of a directed, diffused light scattering.
- Fig. 7 shows schematically in the upper picture the cross section through a hood for pedestrian protection with an inner, slightly curved reinforcing shell of a three-dimensional wavy structured material web 2.
- This structured material web is at their beads 6, 7 with the outer smooth bonnet shell 15 preferably by linear Splices 16 connected.
- the three-dimensionally wave-shaped structured material web 2 can be adapted to the contour of the only slightly curved, outer hood shell 15 with the aid of simple embossing or calibration tools, which consist of rigid or elastic materials, because the three-dimensionally wave-shaped structured material web 2, in particular even in deep structures large multi-dimensional bending and yield reserves, without the Structures (dome and ridges) are leveled again or locally buckling.
- This structured material web 2 even allow complex, geometric adjustments to individually designed outer hood shells.
- FIG. 8 shows the cross section through a hood for pedestrian protection with an inner reinforcing shell made of a three-dimensionally wave-shaped material web 2.
- the structured reinforcing shell is preferably connected by splices 17 to the dome 8 of the structured material web 2 with the outer, smooth hood shell 15.
- FIG. 9 shows the cross section through a thin-walled pipe section 18 made of a material web 2 structured in a three-dimensionally wave-shaped manner.
- This simplified illustration shows only the visible edge of the cut thin-walled pipe section 18 with the beads 6 and the domes 8. On the representation of the structures in the center of the thin-walled pipe section 18 was omitted.
- the beads 6 and 7 which are considerably wider than the known folds, are less susceptible to lateral and punctiform impacts. The same applies to plastic bottles, in particular for PET bottles.
- FIG. 10 shows in the upper picture the cross section through a structured, thin and at the same time dimensionally stable wall of a three-dimensional wave-structured material web 2.
- the lower picture shows the cross section through a sandwich of an upper and lower belt made of a three-dimensional wave-structured material web 2 and a inner plastic or plastic foam core 20.
- FIG. 11 and 12 show a schematic representation for explaining a method for producing an oval-shaped pipe section 25 (see FIG. 12) from a circular pipe section 22 (see FIG. 11) using a three-dimensionally wave-shaped structured material web.
- Fig. 11 shows the state before deformation
- Fig. 12 shows the state after deformation
- 11 shows a cross section through a circular three-dimensional wave-shaped structured tube 22 with circumferential beads along the line 7 and axial beads 6 and calottes 8 and two rigid or elastomeric pressure rollers 24.
- the lower image in FIG. 11 shows the plan view on the unwound material web 23 (viewing direction from the projection of the pipe section 22) in the projection of the pipe section 22.
- Fig. 12 shows in the upper picture the oval shaped tube section 25 which has been converted by the pressing of the pressure rollers 24 and optionally the additional rigid or elastic pressure rollers 27 in the desired oval shape.
- the pressure rollers 24 and 27 and elastic or rigid molded cushion or pressure elements can be used.
- Experimental studies have shown that it is not necessary to form the three-dimensionally wave-shaped pressure rollers 24 and 27, mold pads or printing elements with a negative mold equip structured material web. In the simplest case, even simple finger or hand movements are sufficient to complete the transformation into the oval shape.
- Another method design provides that when tight bending with a small bending radius of the circular three-dimensional wavy structured material web 22 in the oval-shaped of the tube section 25, the beads 6 and 7 independently "deform" claim stressful and thereby of the hexagonal arrangement of the beads 6 and 7 with increasing curvature (corresponding to decreasing radius of curvature) of the oval continuously (ie without kinks in the troughs and ridges) merges into a common, approximately serpentine bead transverse to the direction of the web.
- FIG. 12 the plan view of the developed lateral surface of the oval-shaped pipe section 25 is shown.
- the circumferential beads 7 (in the running direction of the material web, arrow direction in FIGS. 11 and 12) rotate / interlace to form beads 29 and 31.
- the axial beads 6 transversely to the running direction of the material web are shortened continuously to form beads 28 and 30.
- the beads 32 and 34 at the location of the smallest curvature of the oval assume the shape of a common, approximately serpentine bead.
- FIG. 13 shows schematically in the upper and middle picture the cross section through a narrowly curved in its running direction, three-dimensionally wave-shaped structured material web 35.
- two structural capsules 36 are arranged at the location of the curvature of the material web 35.
- a single structural cap 37 is arranged at the location of the curvature.
- This staggered arrangement of the structural dome at the location of the curvature results from the geometry of the serpentine beads (not visible in cross-section in FIG. 13) in the transverse direction to the running direction (see top view of the unwound material web in the lower image of FIG. 12).
- the three-dimensionally wave-shaped structured material web in the bottom left of FIG. 13
- the shortened zigzag beads 7a and, correspondingly, the elongated ones are formed, as shown in FIG Explode 6a at the place of curvature.
- Fig. 14 shows schematically, and perspectively only indicated, the cross section through a hood 38 for a vehicle using a three-dimensional wave-shaped reinforcing shell with the beads 6 and 7 and the cap 8.
- the caps 8 are on their outside, for example by means of adhesive dots 17 with the outer smooth hood shell 15, which is equipped left and right with a curved shape 39, connected.
- the beads 6 and 7 of the three-dimensionally wave-shaped structured material web can be connected to the outer hood shell 15 (not explicitly shown in FIG. 14) by, for example, splices 16 (analogous to FIG. 7).
- the three-dimensional wave-structured material web / reinforcing shell can be equipped with tight bending radii, such as in the area 40, and at the same time with deep and large structures.
- FIG. 15 shows schematic representations in four images for explaining the production of a multi-dimensionally structured material web with support element core.
- the first image top left shows the bulge / vault-structured material web 9, which tightly conforms to the support element core 3 with the radius R1, on whose circumference 8 structures are arranged, during structuring (analogous to FIG. 1).
- the second image shows the three-dimensionally wavy structured material web 2 on the support element core 3 with the elastic intermediate layer 5.
- the third image (top right) shows a three-dimensionally wave-shaped structured material web 2, which closely adheres to the support element core 3 with wider support elements 13 (analogous to FIG. 5) during structuring (without additional elastic intermediate layer 5).
- the radius R2 of the support element core 3 in the third image (without elastic intermediate layer 5) is equal to the radius R2 of the "naturally" curved material web 2 from the second image (FIG. 15, bottom left).
- the mechanical forming process in three-dimensional wave-like structuring is modeled.
- the fourth image (bottom right) shows a three-dimensionally wave-shaped structured material web 2 on a support element core 3 with an elastic intermediate layer 5.
- On the support element core 3 are six structures (instead of eight structures in the two images in Fig. 15 with the support element cores 3 and Radius R1), wherein the radius R1 is the same in each case.
- the structures of the three-dimensionally wave-shaped structured material web 2 in the image at the bottom right in FIG. 15 obtain a larger key width and at the same time greater structure depth than in the two other structural devices with the support element core radii R1.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine strukturierte Materialbahn aus einem Bahnwerkstoff, insbesondere Blechmaterialbahn, und Verfahren zum Herstellen.The invention relates to a structured material web of a web material, in particular sheet material web, and method for manufacturing.
Beim effektiven Leichtbau, insbesondere in der Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie, im Raumausstattungs-, Bau- und Designbereich oder bei Hausgeräten und Apparaten sowie auch in Apparaten für die Glasschmelze bei sehr hohen Temperaturen oder für evakuierte Kanäle bei extrem tiefen Temperaturen sowie in der Verpackungs- und Leuchtenindustrie werden immer komplexere Anforderungen an die Konstruktion und an den Werkstoff gestellt. Beispiele hierfür sind insbesondere geringes Transport- und Montagegewicht, große Umformreserven des Werkstoffs, ein geringer Körperschall, eine hohe Langzeit-Dauerschwingfestigkeit, eine gleichmäßige Energieabsorption beim Crash und schließlich eine hohe Stabilität bei Temperaturwechselbelastungen (thermischer Ausdehnungsbehinderung). Aus ökonomischen und ökologischen Gründen soll das alles ressourcenschonend (Werkstoffe, Beschichtungsmaterialien, Energie) mit möglichst einfachen Maschinen erreicht werden. Diese angestrebten Merkmale führen zu ganz unterschiedlichen und häufig sogar widersprechenden Anforderungen (an die verwendeten Materialen und an die zu versteifende Leichbaukonstruktion). Hierbei spielen die mehrdimensional versteifenden Strukturen dünner Materialbahnen eine ganz besondere Rolle, weil sie dem Bauteil trotz reduzierter Wanddicke eine hohe mehrdimensionale Steifigkeit und weitere vorteilhafte synergetische Eigenschaften verleihen.For effective lightweight construction, in particular in the automotive, aerospace, interior design, construction and design sectors, or in household appliances and apparatus, as well as in apparatus for molten glass at very high temperatures or for evacuated channels at extremely low temperatures and in the Packaging and lighting industry increasingly complex requirements are placed on the design and the material. Examples include, in particular, low transport and assembly weight, large deformation reserves of the material, low structure-borne noise, high long-term fatigue strength, uniform energy absorption in the event of a crash and, finally, high stability under thermal cycling (thermal expansion inhibition). For economic and ecological reasons, all this should be achieved in a way that conserves resources (materials, coating materials, energy) with the simplest possible machines. These desired features lead to very different and often even contradictory requirements (on the materials used and on the lightweight construction to be stiffened). In this case, the multidimensionally stiffening structures of thin material webs play a very special role, because they give the component a high multidimensional rigidity and further advantageous synergistic properties despite the reduced wall thickness.
Es sind zahlreiche Verfahren bekannt, um eine dünne Materialbahn, wie Blech oder auch Kunststofffolie, mit versteifenden Strukturen zu versehen. Um die Biege- und Beulsteifigkeit von Bauteilen zu verbessern, sind mechanisch strukturierte Materialien, beispielsweise genoppte Bleche, bekannt. Diese rein mechanisch strukturierten Materialien erfordern jedoch hohe Plastifizierungsreserven des Ausgangswerkstoffs, da beim Strukturieren mit Hilfe von mechanischen Form- und Prägewerkzeugen eine große Plastifizierung des Werkstoffes auftritt. Ferner ist das Versteifen durch eine Sicke bekannt, die dem Bauteil jedoch nur in einer Richtung eine erhöhte Steifigkeit verleiht. Senkrecht dazu bleibt das Bauteil biege- und schubweich.Numerous methods are known for providing a thin material web, such as sheet metal or plastic film, with stiffening structures. In order to improve the bending and buckling stiffness of components, mechanically structured materials, such as dimpled sheets, are known. However, these purely mechanically structured materials require high Plastifizierungsreserven of the starting material, since when structuring using mechanical forming and embossing tools a large plasticization of the material occurs. Furthermore, the stiffening known by a bead, which gives the component but only in one direction increased rigidity. Perpendicular to the component remains bending and pushing soft.
Aus dem Dokument
Beim bekannten Beul- / Wölbstrukturierungsverfahren entstehen in der gekrümmten und von innen partiell abgestützten Materialbahn bei einer geringen äußeren Druckbelastung zunächst, d. h. zu Beginn im elastischen Werkstoffverhalten der Materialbahn, sinusförmig umlaufende Strukturwellen, die nur eine sehr kleine Amplitude besitzen. Wird dann die äußere Druckbelastung gegen die gekrümmte Materialbahn erhöht, entsteht ein instabiler Zustand, der einen dynamischen Durchschlag (spontanes Einbeulen) im elastisch-plastischen Werkstoffverhalten der Materialbahn auslöst. Dieser komplexe Vorgang lässt sich durch die nicht-linearen Gesetze der Mechanik (nicht-lineare geometrische Deformation von Schalen), der Thermodynamik und des Werkstoffes (nicht-lineare, elastisch-plastische Fließkurve), weit weg vom Gleichgewichtszustand, beschreiben. Diese, sich selbst organisierenden, Beulstrukturen können den sogenannten "dissipativen Strukturen" (vgl.
Hierbei ist nun im Fall des Beulstrukturierens zu beachten, dass die kinetische Energie beim dynamischen Durchschlag der gekrümmten Materialbahn in ihre Gegenkrümmung / Beule größtenteils in Plastifizierungsenergie (Wärme) der sich bildenden Beulfalten umgewandelt wird. Das entsteht insbesondere dadurch, dass die durchschlagende Beulschale quasi wie eine Art "Hebel" an der entstehenden Falte wirkt und sich dadurch eine Beulfalte mit sehr kleinem Radius bei erheblicher Plastifizierung des Werkstoffes ausbildet. Durch diesen dynamischen Durchschlag des spontanen Beulens entsteht aus der ursprünglich sinusförmig umlaufenden Welle mit sehr kleinen Amplituden eine Art "Girlandenwelle", die sich aus aneinander gereihten Cosinus-Halbwellen entsprechend aneinander gereihten Beulmulden zusammensetzt. Hierbei hat sich jeweils eine obere Halbwelle der ursprünglichen Sinuswelle nach dem dynamischen Durchschlag zusammengezogen, so dass daraus jeweils eine einzelne Beulfalte entsteht. Auf diese Weise wird die Wellenlänge der entstandenen unteren Cosinus-Halbwelle (Beulmulde) größer und erhält so die doppelte Länge gegenüber der früheren unteren Sinuswelle vor dem Durchschlag.In this case, it should be noted in the case of Beulstrukturierens that the kinetic energy in the dynamic breakdown of the curved material web in their countercurve / bulge largely in plasticizing energy (heat) of the forming Bealtenalten is converted. This is due in particular to the fact that the resounding buckle shell acts as a kind of "lever" on the resulting fold and thereby forms a Beulfalte with very small radius with significant plasticization of the material. Through this dynamic breakdown of the spontaneous buckling of the originally sinusoidal rotating wave with very small amplitudes creates a kind of "garland wave", which is composed of juxtaposed cosinus half-waves corresponding to juxtaposed buckets. In each case, an upper half-wave of the original sine wave has contracted after the dynamic breakdown, so that each results in a single Beulfalte. In this way, the wavelength of the resulting lower cosine half wave (Beulmulde) becomes larger, and thus receives twice the length of the previous lower sine wave before the breakdown.
Die bekannten beul- / wölbstrukturierten Materialbahnen besitzen jedoch Nachteile, wenn die oben genannten komplexen, häufig sich auch widersprechenden Anforderungen erfüllt werden sollen. Nachfolgend werden die bestehenden Nachteile näher erläutert. Die Falten der beul- / wölbstrukturierter Materialien weisen kleine Biegeradien auf, wie diese bei einer Faltung eines Materials entstehen. Dort ist der Werkstoff der strukturierten Materialbahn erheblich mehr umgeformt, und deshalb ist der Werkstoff im Bereich der Falten vergleichsweise hoch plastifiziert. Weil die Falten stets schmal sind und deshalb nur einen sehr geringen Flächenanteil einnehmen und trotzdem ganz wesentlich zur Formsteifigkeit des strukturierten Materials beitragen, wird der Werkstoff im Bereich der Falten im Belastungsfall des strukturierten Bauteils vergleichsweise sehr hoch beansprucht. Auf diese Weise können in den Falten kleine sichtbare oder auch mit bloßem Auge nicht sichtbare Risse, zum Beispiel Mikrorisse auftreten, in denen sich Verschmutzungen oder Bakterien ansammeln können.However, the known bulge / vault structured material webs have disadvantages if the above-mentioned complex, often contradictory requirements are to be met. The existing disadvantages will be explained in more detail below. The folds of the bulge / vault structured materials have small bending radii, as they occur when a material is folded. There, the material of the structured material web is much more reshaped, and therefore the material is comparatively highly plasticized in the area of the folds. Because the folds are always narrow and therefore occupy only a very small area and yet contribute significantly to the dimensional stability of the structured material, the material in the region of the folds in the load case of the structured component is subjected to relatively high stress. In this way, small visible or even invisible to the naked eye cracks, such as microcracks occur in the folds, in which dirt or bacteria can accumulate.
Die von den Falten eingeschlossenen Mulden nehmen den weitaus größten Teil der Fläche der Materialbahn ein und werden im Belastungsfall nur sehr wenig deformiert, weil die Mulde als dreidimensionale Schale ganz besonders formsteif ist. Dieser Zusammenhang kann etwas vereinfacht so verstanden werden, dass die schmalen Falten als biegeweiche "Scharniere" und die Mulde als sehr formsteife Elemente aufgefasst werden. Daraus folgt unmittelbar, dass die Falten die Gefahr einer "Sollbruchstelle" bei hoher statischer Belastung, bei Dauerschwingbelastung, bei Temperaturwechselbelastung und im Crashfall darstellen.The traps enclosed by the folds occupy by far the largest part of the surface of the material web and are only slightly deformed in the load case, because the depression as a three-dimensional shell is very particularly dimensionally stable. This relationship can be understood in a somewhat simplified way so that the narrow folds are regarded as flexible "hinges" and the trough as very rigid elements. It follows immediately that the folds the Danger of a "predetermined breaking point" with high static load, with fatigue load, with thermal cycling and in the event of a crash.
Ein weiterer Nachteil der bekannten beul- / wölbstrukturierten Materialbahnen besteht darin, daß sie sich insbesondere bei tiefen Beulfalten sehr torsionsweich und zugleich instabil verhalten. Dabei "klappen" sie leicht bei kleinen Torsionsbelastungen hin und her.Another disadvantage of the known bulge / vault structured material webs is that they behave very torsionally soft and at the same time unstable especially at low Beulfalten. They "flip" easily with small torsional loads back and forth.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Mulden, die auch als Wölbungen bezeichnet werden, insbesondere bei großen Strukturmulden, keine gleichmäßige und keine kugelflächenartige Krümmung aufweisen. Statt dessen besitzen beispielsweise die Mulden der bekannten Beul- / Wölbstrukturen im angrenzenden Bereich ihrer Falten sehr ungleichmäßig ausgeprägte Krümmungen, weil der geometrische Übergang von den schmalen Falten eines Hexagons zur eingeschlossenen Mulde unvermeidliche, störende Übergänge hervorrufen. Das führt insbesondere bei größeren Hexagon-Strukturen zu störenden geometrischen Inhomogenitäten und zu einer Abflachung der Krümmung in der Mitte der Mulde. Insbesondere in der Lichttechnik ist das unerwünscht, weil hierdurch keine gleichmäßige, nämlich richtungsunabhängige, und blendfreie Lichtreflexion an den Reflektoren von Leuchten zu realisieren ist.Another disadvantage is that the wells, which are also referred to as bulges, especially in large structural wells, have no uniform and no spherical surface-like curvature. Instead, for example, the wells of the known bulge / bulge structures in the adjacent region of their folds have very irregular curvatures, because the geometric transition from the narrow folds of a hexagon to the enclosed well causes unavoidable, disturbing transitions. This leads in particular to larger hexagonal structures to disturbing geometric inhomogeneities and to a flattening of the curvature in the middle of the trough. This is undesirable, particularly in lighting technology, because this means that it is not possible to realize a uniform, namely direction-independent, glare-free light reflection on the reflectors of luminaires.
Ferner besteht ein wesentlicher Nachteil der bekannten Beul- / Wölbstrukturen darin, dass trotz der großen Plastifizierungsreserven im Bereich ihrer Mulden eine große Strukturtiefe der Beul- / Wölbstruktur für eine optimale Formsteifigkeit nicht zu erzielen ist, ohne dass man Gefahr läuft, dass der Werkstoff im Bereich der beträchtlich plastifizierten Falte bei der Strukturierung selbst oder bei der späteren Bauteilbelastung reisst. Das bedeutet also, dass die großen Plastifizierungsreserven, die noch in den Mulden steckten, bisher noch gar nicht genutzt werden können, um große Strukturtiefen und hohe Bauteilsteifigkeiten zu erzeugen. Das gelingt auch nicht mit Hilfe der bekannten Stützstrukturen, die an ihren Stützflanken eine Evolvente besitzt (vgl.
Bei dem bekannten beul- / wölbstrukturierten Material besteht ein Nachteil weiterhin darin, dass die beulstrukturierte Materialbahn nach dem Strukturieren aus ihrer gekrümmten Gestalt noch in die ebene Form gerichtet werden muß und dabei insbesondere die Falten in Laufrichtung der Materialbahn, die bereits beim Beulstrukturieren überproportional plastifiziert wurden, durch das Richten noch weiter plastifiziert werden. Hierfür bestehen insbesondere die folgenden Ursachen. Da sich beim Beulstrukturieren die Falten der gekrümmten Materialbahn außen (d. h. größerer Radius) und die Mulden innen (d. h. kleinerer Radius) anordnen, werden beim Richten die Falten in Laufrichtung der Materialbahn gestaucht und die Mulden gedehnt. Da jedoch die Falten nur eine sehr geringe Teilfläche der beulstrukturierten Materialbahn im Vergleich zur Mulde einnehmen, werden die Falten beim Richten überproportional belastet und dabei hoch plastifiziert. Wegen der Dehnung der Mulden werden gleichzeitig auch die Falten quer zur Laufrichtung der Materialbahn gedehnt und dadurch etwas flacher gezogen. Zusammenfassend werden durch das Richten der beul- / wölbstrukturierten Materialbahn die Falten in Richtung der Materialbahn gestaucht, wodurch die Faltenhöhe vergrößert wird, während die Falten quer zur Materialbahn gedehnt werden, sodass sich die Faltenhöhe verringert. Bei den bekannten beul- / wölbstrukturierten Materialbahnen ist die Faltenhöhe in Richtung der Materialbahn etwa doppelt so groß wie die Faltenhöhe quer zur Laufrichtung der Materialbahn. Dadurch ergibt sich eine starke unerwünschte Anisotropie in der Biege-, Schub- und Torsionssteifigkeit der gerichteten strukturierten Materialbahn.In the known bulge / vault structured material, a further disadvantage is that the beulstrukturierte material web must be directed after structuring from its curved shape in the planar shape and in particular the wrinkles in the direction of the web, which were disproportionately plasticized during Beulstrukturieren , be further plasticized by judging. In particular, the following causes exist for this purpose. Since during buckling the folds of the curved material web are arranged on the outside (i.e., larger radius) and the troughs on the inside (i.e., smaller radius), the folds in the direction of travel of the material web are compressed during straightening and the troughs are stretched. However, since the wrinkles occupy only a very small area of the beulstrukturierten material web in comparison to the trough, the wrinkles are strained in disproportionate straightening and thereby highly plasticized. Because of the elongation of the troughs, the folds are stretched transversely to the direction of travel of the material web at the same time and thereby drawn slightly flatter. In summary, by straightening the bulge / vault-structured material web, the pleats are compressed in the direction of the material web, whereby the pleat height is increased, while the pleats are stretched transversely to the material web, so that the pleat height is reduced. In the known bulge / vault structured material webs, the pleat height in the direction of the material web is approximately twice as great as the pleat height transversely to the direction of travel of the material web. This results in a strong unwanted anisotropy in the bending, shear and torsional stiffness of the directed structured material web.
Schließlich besteht ein wesentlicher Nachteil darin, dass sich die bekannten beul- / wölbstrukturierten Materialbahnen nicht oder nur sehr schwierig biegen oder abkanten lassen, wenn der Biegeradius erheblich kleiner ist als der Radius der zum Herstellen der Beul- / Wölbstrukturen verwendeten Stützelementwalze. Die Praxis hat gezeigt, dass das bekannte Verfahren zur sekundären Umformung beul- / wölbstrukturierter Materialbahnen (siehe insbesondere
Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte strukturierte Materialbahn und ein Verfahren zum Herstellen zu schaffen, bei denen die Nachteile des Standes der Technik überwunden sind, insbesondere die aufgrund der Faltenstruktur bestehenden Nachteile. Des weiteren soll ein materialschonenderes Richten der strukturierten Materialbahn ermöglicht sein. Ferner soll die verbesserte strukturierte Materialbahn ein enges Biegen ermöglichen.The object of the invention is to provide an improved structured material web and a method for producing in which the disadvantages of the prior art are overcome, in particular the disadvantages due to the fold structure. Furthermore, a material-friendly straightening of the structured material web should be made possible. Furthermore, the improved structured material web should allow tight bending.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine strukturierte Materialbahn nach dem unabhängigen Anspruch 1 und ein Verfahren zum Herstellen einer strukturierten Materialbahn nach dem unabhängigen Anspruch 20 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.This object is achieved by a structured material web according to
Nach einem Aspekt der Erfindung ist eine strukturierte Materialbahn aus einem Bahnwerkstoff, insbesondere Blechmaterialbahn, mit einer wellenförmigen und dreidimensional gebildeten Strukturierung geschaffen, die mit Wülsten und von den Wülsten eingeschlossenen Kalotten gebildet ist, wobei die Wülste zusammenhängend ausgeführt sind und eine Krümmung aufweisen, die entgegengesetzt zur Krümmung der Kalotten ist.According to one aspect of the invention, a structured material web of a web material, in particular sheet material web, having a wavy and three-dimensional structure is formed, which is formed with beads and of the beads enclosed domes, wherein the beads are made continuous and have a curvature, the opposite to the curvature of the calotte is.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen einer strukturierten Materialbahn, insbesondere einer strukturierten Blechmaterialbahn, geschaffen, bei dem eine Materialbahn aus einem Bahnwerkstoff mittels Wülsten und von den Wülsten eingeschlossenen Kalotten mit einer wellenförmigen und dreidimensional gebildeten Strukturierung versehen wird, wobei die Wülste zusammenhängend und mit einer Krümmung gebildet werden, die entgegengesetzt zur Krümmung der Kalotten ist.According to a further aspect of the invention, a method for producing a structured material web, in particular a structured sheet material web, is provided, in which a material web of a web material is provided by means of beads and beads enclosed by the beads with a wavy and three-dimensional structuring, wherein the beads be formed contiguous and with a curvature which is opposite to the curvature of the calotte.
Es wurde überraschenderweise gefunden, dass anstelle der bekannten schmalen Falten, die im Stand der Technik mittels eines dynamischen Beulprozesses einer gekrümmten Materialbahn gebildet werden, mehrdimensional wellenförmige Strukturen werkstoffschonend erzeugt werden, wenn Wülste gebildet werden, die Kalotten einschließen. Weil die Kalotte eine entgegengesetzte Krümmung besitzt wie die Wülste, ergibt sich quasi ein mehrdimensionaler Wellenzug in unterschiedlichen Richtungen der so strukturierten Materialbahn. Deshalb wird diese Art der Strukturierung mit mehrdimensional wellenförmiger Strukturierung bezeichnet.It has surprisingly been found that, instead of the known narrow folds which are formed in the prior art by means of a dynamic buckling process of a curved material web, multi-dimensional wavy structures are produced in a material-saving manner when forming beads which include calottes. Because the calotte has an opposite curvature as the beads, a multidimensional wave train results in different directions in the so-structured material web. Therefore, this type of structuring is called multi-dimensional wavy structuring.
Die Wülste in der strukturierten Materialbahn sind vergleichsweise weniger plastifiziert, im wesentlichen rissfrei und können erheblich größere Belastungen und Deformationen aufnehmen als die bekannten schmalen Beulfalten. Im Gegensatz zu den Falten bei der aus dem Stand der Technik bekannten Strukturierung verhalten sich die Wülste wesentlich unempfindlicher und stabiler gegenüber thermischen Ausdehnungsbehinderungen bei Temperaturwechselbeanspruchungen und bei Schwingungsbelastungen. Schließlich wird infolge des größeren elastischen Deformationsvermögens der Wulst gegenüber der bekannten Falte der Versagensfall bei äußerer Belastung, insbesondere bei Stoßbelastung erheblich weiter zu größeren Belastungen hin verschoben.The beads in the structured material web are comparatively less plasticized, substantially free of cracks and can absorb significantly greater loads and deformations than the known narrow Beulfalten. In contrast to the wrinkles in the structuring known from the prior art, the beads behave much less sensitive and more stable against thermal expansion obstacles in thermal cycling and vibration loads. Finally, due to the greater elastic deformation capacity of the bead relative to the known fold of the failure case under external load, especially at impact load shifted considerably further towards greater loads.
Die Wülste unterscheiden sich von den bekannten beul- / wölbstrukturierten Falten hinsichtlich ihres Radius' im Verhältnis zur Dicke der Materialbahn. Diese Relationen werden insbesondere durch die Beschaffenheit des für die Materialbahn verwendeten Werkstoffes, die Gestalt der bei der Herstellung in dem Strukturierungsprozess genutzten Stützelemente und die Dicke sowie die Shore-Härte elastischer Zwischenlage für das dreidimensional wellenförmig Strukturieren beeinflusst. Diese Zusammenhänge ergeben sich aus dem Herstellungsprozess, der unten näher erläutert wird. Die folgenden zwei Ausführungen quantifizieren beispielhaft diese Relationen. In einem ersten Fall wird eine Materialbahn aus Aluminiumblech der Dicke 0,3mm mit einer wappenförmigen Struktur, d. h. hexagonalen Strukturen mit etwas geschwungenen Wülsten / Kalotten, der Schlüsselweite 33mm versehen. Das Verhältnis von Biege- / Krümmungsradius der Wulst zur Materialdicke (der dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahn) beträgt etwa 13. Das Verhältnis von Biege- / Krümmungsradius der im Stand der Technik bekannten Falte zur Materialdicke (Beul-/Wölbstruktur) beträgt hingegen etwa 5. In einem zweiten Fall wird Edelstahlblech (1.4301) der Dicke 0,25mm mit einer wappenförmigen Struktur der Schlüsselweite 33mm versehen. Bei der dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahn beträgt das Verhältnis von Biegeradius der Wulst zur Materialdicke etwa 16. Das Verhältnis von Biegeradius der bekannten Falte zur Materialdicke beträgt 7. In beiden Fällen wurde für die Erzeugung der Wulst eine elastische Zwischenlage der Dicke 4mm und der Shore-Härte 60 verwendet. Bei der dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahn beträgt das Verhältnis des Wertes für den Biege- / Krümmungsradius im Bereich der Kalotten zum Wert der Materialdicke also bevorzugt wenigstens etwa 8, bevorzugt wenigstens etwa 10 und weiter bevorzugt wenigstens etwa 15.The beads differ from the known beul- / wölbstrukturierten wrinkles in terms of their radius' in relation to the thickness of the web. These relationships are influenced in particular by the nature of the material used for the material web, the shape of the supporting elements used in the production in the structuring process and the thickness and the Shore hardness of elastic interlayer for three-dimensional wavy structuring. These relationships arise from the manufacturing process, which is explained in more detail below. The following two statements quantify these relations by way of example. In a first case, a sheet of aluminum sheet of thickness 0.3mm is provided with a crest-like structure, ie hexagonal structures with slightly curved beads / calottes, the key width 33mm. The ratio of bending / radius of curvature of the bead to the material thickness (of the three-dimensional wave-structured material web) is about 13. The ratio of bending / bending radius of the known in the prior art fold to the material thickness (buckling / vault structure), however, is about 5. In in a second case is stainless steel sheet (1.4301) of thickness 0.25mm provided with a crest-shaped structure of key width 33mm. In the case of the three-dimensionally wave-shaped structured material web, the ratio of the bending radius of the bead to the material thickness is about 16. The ratio of the bending radius of the known fold to the material thickness is 7. In both cases, an elastic intermediate layer of
Gleichzeitig wird hierdurch die Wahrscheinlichkeit für Rissbildung durch die sanften Rundungen der Wülste gemindert. Die Rundungen ergeben sich aus der Materialdicke und der Werkstoffbeschaffenheit (Streckgrenze, Duktilität) des verwendeten Ausgangsmaterials. So ergeben sich hygienetaugliche strukturierte Wände und Apparate in der Lebensmitteltechnik, die wegen der sanfteren Rundungen auch einfacher zu reinigen sind.At the same time this reduces the likelihood of cracking due to the gentle curves of the beads. The curves result from the material thickness and the material properties (yield strength, ductility) of the starting material used. This results in hygienic structured walls and apparatus in food technology, which are also easier to clean because of the gentler curves.
Ein bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Kalotten in einem mittleren Kalottenbereich eine Gestalt aufweisen, die einer Kugelschalenform zumindest angenähert ist.A preferred embodiment of the invention provides that the calottes in a central Kalottenbereich have a shape which is at least approximated to a spherical shell shape.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Wülste gemäß einer oder mehrerer geometrischer Grundformen aus der folgenden Gruppe von geometrischen Grundformen zusammenhängend gebildet sind: Dreieck, Viereck, insbesondere Quadrat, Rechteck, Raute oder Parallelogramm, Fünfeck, Sechseck (Hexagon) und Achteck.In an advantageous embodiment of the invention can be provided that the beads are formed contiguously according to one or more basic geometrical shapes of the following group of geometric shapes: triangle, square, in particular square, rectangle, rhombus or parallelogram, pentagon, hexagon and Octagon.
Bei einer zweckmäßigen Fortbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wülste gemäß einer einheitlichen geometrischen Grundform gebildet sind.In an expedient development of the invention, it is provided that the beads are formed according to a uniform geometric basic shape.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Wülste und / oder die Kalotten jeweils mit einer im wesentlichen einheitlichen Wulst- / Kalottenhöhe gebildet sind. Bei den bekannten beul- / wölbstrukturierten Falten sind die Höhen sehr unterschiedlich. Die Falten in Fertigungsrichtung sind nahezu doppelt so hoch wie die Falten quer zur Fertigungsrichtung, weil beim Richten in die ebene Gestalt die ersten Falten zusammengedrückt und so erhöht werden und die zweiten Falten gedehnt und dabei abgeflacht werden. Daraus ergibt sich eine unerwünschte anisotrope Biegesteifigkeit der strukturierten Materialbahnen, die bei der Erfindung nun verhindert ist.In a preferred embodiment of the invention can be provided that the beads and / or the calotte are each formed with a substantially uniform bead / dome height. In the known bulge / vault structured folds the heights are very different. The pleats in the production direction are almost twice as high as the folds across the production direction, because when judging in the planar shape, the first wrinkles are compressed and thus increased, and the second wrinkles are stretched and thereby flattened. This results in an undesirable anisotropic bending stiffness of the structured material webs, which is now prevented in the invention.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung kann vorsehen, dass der Bahnwerkstoff aus einem Werkstoff aus der folgenden Gruppe von Werkstoffen ausgewählt ist: Metall wie Aluminium, Stahl, Edelstahl, Magnesium, Titan, Platinlegierungen, Kunststoff, faserige Stoffe, insbesondere Papier und Pappe, Fasergewebe und Maschengewebe. Bevorzugt werden Blechmaterialien verwendet. Bevorzugt ist bei einer Fortbildung der Erfindung vorgesehen, dass der Bahnwerkstoff in Sandwich-Bauweise gebildet ist, bei dem zwischen zwei Außenbahnen mindestens eine Zwischenbahn angeordnet ist.An advantageous embodiment of the invention can provide that the web material is selected from a material from the following group of materials: metal such as aluminum, steel, stainless steel, magnesium, titanium, platinum alloys, plastic, fibrous materials, in particular paper and cardboard, fiber fabrics and mesh fabrics , Sheet metal materials are preferably used. Preferably, it is provided in a further development of the invention that the web material is formed in a sandwich construction, in which at least one intermediate web is arranged between two outer webs.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass für zumindest einen Teil der Kalotten eine Kalottenoberfläche breit diffus reflektierend ist, wobei zumindest der Teil der Kalotten mit der breit diffus reflektierenden Kalottenoberfläche als tiefe Kalotten gebildet ist. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass für zumindest einen Teil der Kalotten eine Kalottenoberfläche gerichtet reflektierend ist, wobei zumindest der Teil der Kalotten mit der gerichtet reflektierenden Kalottenoberfläche als flache Kalotten gebildet ist. Bevorzugt weisen die strukturierten Materialbahnen gleichmäßige, große und tiefe und etwa kugelförmige Kalotten auf, an deren konvexen Seite das Licht nahezu gleichmäßig, d. h. im wesentlichen unabhängig vom Einstrahlwinkel, und zugleich breit diffus gestreut wird. So kann insbesondere das von der Leuchtenindustrie gewünschte Prinzip der sogenannten Lichtpunktzerlegung für eine blendfreie oder zumindest sehr blendarme Lichtreflexion sogar für die breite Lichtstreuung großer Leuchten und indirekten Deckenstrahler realisiert werden. Auch bei einer Reflexion des Lichts auf der konkaven Seite wird eine Verbesserung gegenüber der bekannten beul- / wölbstrukturierten Materialbahn erzielt.A preferred embodiment of the invention provides that for at least a portion of the calotte a Kalottenoberfläche is broadly diffuse reflective, wherein at least the part of the calotte is formed with the broadly diffusely reflecting Kalottenoberfläche as deep calotte. In an advantageous embodiment of the invention can be provided that a Kalottenoberfläche is directionally reflective for at least a portion of the calotte, wherein at least the part of the calotte is formed with the directionally reflective Kalottenoberfläche as a flat dome. Preferably, the structured material webs on uniform, large and deep and approximately spherical domes, at the convex side of the light almost uniformly, d. H. essentially independent of the angle of incidence, and at the same time broadly diffused. Thus, in particular, the principle desired by the lighting industry of the so-called light point decomposition can be realized for glare-free or at least very low-glare light reflection even for the broad light scattering of large luminaires and indirect ceiling spotlights. Even with a reflection of the light on the concave side an improvement over the known bulge / vault structured material web is achieved.
Bei einer zweckmäßigen Fortbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Bahnwerkstoff anodisiertes Aluminiumblech ist.In an expedient development of the invention it is provided that the sheet material is anodized aluminum sheet.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die wellenförmigen und dreidimensional gebildete Strukturierung als selbstorganisierende Strukturierung gebildet ist.In a preferred embodiment of the invention it can be provided that the undulating and three-dimensional structuring is formed as a self-organizing structuring.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung kann einen gekrümmten Abschnitt vorsehen, der wahlweise als gebogener Abschnitt ausgeführt ist und in dem eine Krümmung mit einem engen Krümmungsradius gebildet ist, wobei die Wülste und Kalotten im Bereich der Krümmung einknickfrei ausgeführt sind. Die gebogene Ausführung wird mittels Biegen hergestellt. Bevorzugt ist in einer Ausgestaltung hierbei vorgesehen, dass die Krümmung in Richtung einer Wölbungen auf einer nach außen gerichteten Seite der Kalotten gebildet ist. Während sich die bekannten Falten und deren eingeschlossenen Mulden der Beul- / Wölbstrukturen starr verhalten und bei Verbiegungen oder Verschränkungen einknicken, verhalten sich überraschenderweise die Wülste aufgrund ihrer sanften Rundungen und ihre eingeschlossenen Kalotten ganz anders. Beim engen Biegen der dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahn können die Wülste biege-, schub- und torsionsweich quasi die hohen örtlichen Biegebelastungen auf angrenzende Bereiche verteilen, indem sie sich von selbst, d. h. ohne mechanische Formwerkzeuge "verschränken" und so der Gefahr der hohen Spannungen und der Instabilität "intelligent ausweichen".A further advantageous embodiment of the invention may provide a curved portion, which is optionally designed as a bent portion and in which a curvature is formed with a narrow radius of curvature, wherein the beads and dome in the region of curvature are executed kink free. The bent version is made by bending. In one embodiment, it is preferably provided that the curvature is formed in the direction of a curvature on an outwardly directed side of the calotte. While the known folds and their trapped hollows of buckling / buckling structures behave rigidly and buckle in bending or entanglement, surprisingly behave the beads quite different due to their gentle curves and their enclosed calottes. When tightly bending the three-dimensionally wave-shaped structured material web, the beads can distribute bending, pushing and torsion-like quasi the high local bending loads on adjacent areas, by themselves, d. H. "entangle" without mechanical molds and thus "dodge" the danger of high voltages and instability.
Beim Biegen in Laufrichtung der Materialbahn stellen sich bei einer hexagonalen Struktur die zick-zackförmigen Wülste der Materialbahn in ihrer Laufrichtung stufenlos so ein, dass sie sich allmählich immer mehr in Richtung quer zur Laufbahnrichtung der Materialbahn ausrichten, quasi "verschränken" und dabei eine gekrümmte Gestalt annehmen. Dadurch sind die Wülste quer zur Laufrichtung der Materialbahn verkürzt bis sie ganz verschwinden. So wird mit zunehmender Biegung, d. h. abnehmendem Krümmungsradius, der Materialbahn aus der zick-zackförmigen Gestalt der Wülste in Laufrichtung der Materialbahn schließlich eine quer zur Laufrichtung der Materialbahn durchgängige schlangenförmige Wulst. Die besondere Eigenschaft der dreidimensional wellenförmigen Struktur besteht also darin, dass sie diese "Verschränkungen", nämlich Umformungen ohne mechanische Formwerkzeuge, überhaupt erst ermöglichen. Hinter dieser "Verschränkung" steckt ein allgemeingültiges Prinzip: Die Wülste und die Kalotten stellen zwar aufgrund ihres Flächenträgheitsmomentes ("dritte Dimension") gegenüber der Verformung einen Widerstand dar. Sie können jedoch den hohen Spannungen und Instabilitäten bei der Umformung, zum Beispiel Biegen, ausweichen, wenn die Wülste vor dem Biegen bereits etwas schräg zur Laufrichtung der Materialbahn ausgerichtet waren und sich dann die Wülste während des Biegens immer mehr schräg, d. h. quer zur Laufrichtung der Materialbahn, einstellen. Zusammenfassend verformt sich das strukturierte Material durch diese Art der Verschränkung von selbst so, dass es einer äußeren Belastung ohne Einknicken ausweicht. Hierbei spielen die geometrischen und materialtechnischen nicht-linearen Gesetzmäßigkeiten eine entscheidende Rolle. Ähnliche Phänomene finden sich auch in der belebten und unbelebten Natur.When bending in the running direction of the material web, the zigzag beads of the material web are steplessly adjusted in their running direction in a hexagonal structure, so that they gradually align more and more in the direction transverse to the running direction of the material web, so to speak, "interlace" and thereby have a curved shape accept. As a result, the beads are shortened transversely to the direction of the web until they disappear completely. Thus, with increasing bending, ie decreasing radius of curvature, the material web from the zig-zag shape of the beads in the running direction of the material web finally becomes a serpentine bead which runs through transversely to the running direction of the material web. The special feature of the three-dimensional wave-like structure is therefore that it contains these "entanglements", namely Forming without mechanical tools, in the first place. Behind this "entanglement" is a general principle: Although the beads and the calottes represent a resistance to deformation due to their area moment of inertia ("third dimension"). However, they can avoid the high stresses and instabilities during forming, for example bending if the beads were already aligned somewhat obliquely to the direction of the material web before bending and then the beads during bending more and more oblique, ie transverse to the direction of the web, set. In summary, the structured material deforms by this type of entanglement by itself so that it avoids an external load without buckling. Here, the geometric and material-technical non-linear laws play a crucial role. Similar phenomena can also be found in the living and inanimate nature.
Die vorangehend beschriebenen Eigenschaften der dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahn ermöglichen die vorteilhafte Nutzung der Materialbahn für Artikel auf unterschiedlichen Anwendungsgebieten. Hierzu gehören nicht-kreisrunde Rohre, die beispielsweise einen oval- oder ellipsenförmigen Querschnitt aufweisen, oder gekrümmte Kanäle, die aus gekrümmten und ebenen umlaufenden Wandabschnitten bestehen, die mit größeren und zugleich tieferen Strukturen ausgestattet werden können als es bei Verwendung der bekannten Beul- / Wölbstrukturen der Fall ist. Die maximale Strukturgröße und somit die Steifigkeit ist bei den bekannten Beul- / Wölbstrukturen nach unten hin begrenzt durch den kleinen Krümmungsradius des Ovals oder der Ellipse. Größere Beul- / Wölbstrukturen mit größerer Steifigkeit können auf dem Oval-oder Ellipsenabschnitt mit dem kleinen Krümmungsradius nicht angeordnet werden, da sie einknicken und so ihre hohe Steifigkeit verlieren würden. Da auf diese Weise die Bereiche des Ovals oder der Ellipse mit dem großen Krümmungsradius für eine hohe Steifigkeit nicht mit den dazu passenden größeren und tieferen Strukturen ausgestattet werden können, war bisher eine hohe Gesamtsteifigkeit des ovalförmigen Rohrs nicht zu erzielen. Mit Hilfe der neuen dreidimensional wellenförmigen Strukturen erhalten die Bereiche mit dem großen Krümmungsradius große und steife Strukturen, beispielsweise entsprechend dem Krümmungsradius des selbstorganisierenden Strukturierungsprozesses. Diese großen und steifen dreidimensional wellenförmigen Strukturen können auch auf dem Oval- oder Ellipsenabschnitt mit dem kleinen Krümmungsradius ohne Steifigkeitsverlust durch Einknicken verwendet werden.The above-described properties of the three-dimensionally wave-shaped structured material web enable the advantageous use of the material web for articles in different fields of application. These include non-circular tubes, for example, have an oval or elliptical cross-section, or curved channels, which consist of curved and flat circumferential wall sections that can be equipped with larger and deeper structures than when using the known buckling / Völbstrukturen the case is. The maximum structure size and thus the rigidity is limited in the known buckling / arch structures downwards by the small radius of curvature of the oval or the ellipse. Larger bulge / bulge structures with greater rigidity can not be placed on the oval or elliptical section with the small radius of curvature, because they would buckle and thus lose their high rigidity. In this way, since the regions of oval or ellipse having the large radius of curvature for high rigidity can not be provided with the mating larger and deeper structures, high overall rigidity of the oval shaped tube has not been attained so far. With the help of the new three-dimensional wave-shaped structures, the regions with the large radius of curvature receive large and stiff structures, for example, corresponding to the radius of curvature of the self-organizing structuring process. These big and stiff three-dimensional wavy Structures can also be used on the oval or elliptical section with the small radius of curvature without loss of stiffness due to buckling.
Oval- oder ellipsenförmige Bauteile mit hoher Gesamtsteifigkeit finden vorzugsweise in den beiden folgenden Einsatzgebieten Anwendung, wobei zusätzliche synergetische Eigenschaften auftreten. Zunächst ist hier beispielhaft die Glasherstellung zu nennen, beispielsweise als dünnwandige oval- oder ellipsenförmige Ausgasungsrohre aus Platin-Legierungen, sogenannte "Läuterkammern". An Bauteile für die Glasschmelze, insbesondere für Läuterkammern werden komplexe Anforderungen gestellt. Hierzu zählen die Kompensation von thermischer Ausdehnungsbehinderung, eine gleichmäßige Temperaturverteilung sowie eine möglichst gleichmäßige Verweilzeit der Glasschmelze in den Bauteilen und ein möglichst schnelles Austreten der Gase aus dem geschmolzenen Glas. Diese Anforderungen werden nachfolgend näher erläutert.Oval or elliptical components with high overall stiffness are preferably used in the two following applications, with additional synergistic properties occur. First of all, glass production is to be mentioned here by way of example, for example as thin-walled oval or elliptical outgassing tubes made of platinum alloys, so-called "refining chambers". Components for the molten glass, in particular for refining chambers, are subject to complex requirements. These include the compensation of thermal expansion disability, a uniform temperature distribution and the most uniform residence time of the molten glass in the components and the fastest possible escape of the gases from the molten glass. These requirements are explained in more detail below.
Durch die Erwärmung dehnen sich die Rohre, Kanäle, Tiegel und Rührer aus Platin-Legierungen von Raumtemperatur auf Schmelztemperatur des Glases (etwa 1600 °C) beträchtlich aus (Größenordnung über 1 %). Dadurch entstehen hohe Spannungen in den dünnen Platin-Wänden, weil diese üblicherweise durch umgebende keramische Ausmauerungen und axiale Flansche / Befestigungen fixiert sind und so ihre thermische Ausdehnung behindert wird. Nach Stand der Technik in dem Dokument
Die Rohrwandungen aus den dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahnen sind den bekannten Rohrwandungen (vgl.
Nach dem Stand der Technik in
Ein weiteres Anwendungsbeispiel für oval- oder ellipsenförmige, dünnwandige Rohre mit dreidimensional wellenförmig strukturierter Wandung betrifft evakuierte Synchrotron-Rohre / - Kanäle, beispielsweise für die Hirntumorbekämpfung mit Schwerionen. Die schnellen Schwerionen werden vor ihrer medizinischen Verwendung vorzugsweise in ovalförmigen oder elliptischen, dünnen beispielsweise Edelstahl-Rohren eines Speicherrings "geparkt". Um die elektrische Energie für die kreisförmige Führung (Speicherring) der Schwerionen mit Hilfe von Magneten gering zu halten, werden letztere nahe dem absoluten Nullpunkt bei etwa 4 K bei Supraleitung betrieben. Um eine Erwärmung der Rohre aufgrund von unvermeidbaren elektromagnetischen Wirbelstromverlusten möglichst gering zu halten, müssen die vorzugsweise ovalen oder elliptischen Rohre des Speicherrings so dünn wie möglich ausgeführt sein und trotzdem dem äußeren Atmosphärendruck (in den Rohren ist Hochvakuum) standhalten (vgl. "
Ähnliche Anwendungsbeispiele ergeben sich in der Raumfahrt, wenn beispielsweise eine Raumsonde aus der Sonnenbestrahlung in den Erdschatten eintritt.Similar applications arise in space travel, for example, when a space probe from the sun enters the Earth's shadow.
Bei dem Verfahren kann eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vorsehen, dass die Wülste und die Kalotten gebildet werden, indem die Materialbahn gekrümmt und anschließend durch eine äußere Druckbeaufschlagung auf ihrer Innenseite zuerst gegen eine elastische Zwischenlage, die auf starren Stützelementen angeordnet ist, und dann gegen die starren Stützelemente gedrückt wird. Bei einer zweckmäßigen Fortbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als elastische Zwischenlage eine Zwischenlage aus einem Werkstoff oder einer Kombination von Werkstoffen der folgenden Gruppe von Werkstoffen verwendet wird: Elastomer, flexibler Werkstoff und faseriger Werkstoff.In the method, an advantageous embodiment of the invention provide that the beads and the dome are formed by the material web curved and then by an external pressurization on its inner side first against an elastic intermediate layer, which is arranged on rigid support elements, and then against the rigid support elements is pressed. In an expedient development of the invention it is provided that an intermediate layer of a material or a combination of materials of the following group of materials is used as the elastic intermediate layer: elastomer, flexible material and fibrous material.
Es hat sich überraschend gezeigt, dass die Wülste sich mit ihrem sanften Übergang zu den Kalotten besonders werkstoffschonend mit Hilfe einer quasi freien Verformung der Materialbahn dadurch bilden, dass zwischen einer gekrümmten Materialbahn und den Stützelementen zusätzlich eine elastische Zwischenlage anordnet ist und dann diese Materialbahn von außen mit Druck beaufschlagt wird. Diese elastische Zwischenlage, die vorzugsweise erheblich dicker ist als die Materialbahnstärke, bevorzugt etwa um den Faktor 4 bis 10, und eine Shore-Härte von etwa 50 bis 70 aufweist, erfüllt einen anderen Zweck als dies bei Zwischenlagen im Stand der Technik der Fall ist. Der Werkstoff wird gleichmäßiger und schonender deformiert, wodurch bevorzugt tiefere Strukturen in der Materialbahn erzeugt werden können, ohne dass der Werkstoff beim Shore-Härte-Verformen reisst.It has surprisingly been found that the beads form with their gentle transition to the calotte particularly gentle on the material with the help of a quasi-free deformation of the web that between a curved material web and the support elements in addition an elastic intermediate layer is arranged and then this material web from the outside is pressurized. This elastic intermediate layer, which is preferably considerably thicker than the material web thickness, preferably about a factor of 4 to 10, and has a Shore hardness of about 50 to 70, fulfills a different purpose than is the case with intermediate layers in the prior art. The material is deformed more uniformly and gently, whereby preferably deeper structures in the material web can be produced without the material breaking during the Shore hardness deformation.
Die starren Stützelemente sind bevorzugt aus starren Werkstoffen. Sie können aber auch aus elastischen Werkstoffen bestehen.The rigid support elements are preferably made of rigid materials. But they can also consist of elastic materials.
Experimente haben ergeben, dass sich die Nachteile des spontanen, dynamischen Durchschlags mit Hilfe der zusätzlichen, vergleichsweise dicken, elastischen Zwischenlage, die zwischen der Innenseite der gekrümmten Materialbahn und den Stützelementen angeordnet ist, beseitigen lassen. Durch die elastische Zwischenlage wird der dynamische Durchschlag beim Strukturieren der Materialbahn drastisch abgeschwächt. Hierbei verformt sich die elastische Zwischenlage im Bereich der Stützelemente quasi von selbst in der Weise, dass das Material der Zwischenlage durch die sich quasi frei verformende und andrückende Materialbahn jeweils im Bereich der Stützelemente so eingedrückt / eingequetscht wird, dass das unmittelbar neben dem Stützelement eingedrückte Material der Zwischenlage mit diesem Stützelement quasi ein neues, "gemeinsames" und dafür erheblich breiteres Stützelement als vorher ergibt. Dieses "gemeinsame" Stützelement hat sich quasi von selbst an die sich frei verformende Materialbahn individuell angepasst. Die Breite des "gemeinsamen" Stützelementes kann mittels der Wandstärke und der Härte des Materials der Zwischenlage in Verbindung mit der Stegbreite und Rundung der starren Stützelemente variabel eingestellt werden.Experiments have shown that the disadvantages of the spontaneous, dynamic breakdown can be eliminated with the aid of the additional, comparatively thick, elastic intermediate layer which is arranged between the inside of the curved material web and the support elements. Due to the elastic intermediate layer, the dynamic breakdown during structuring of the material web is drastically reduced. Here, the elastic intermediate layer deforms in the region of the support elements almost by itself in such a way that the material of the intermediate layer by the quasi free-deforming and pressing material web in each case in the region of the support elements is so pressed / squeezed that the immediately adjacent to the support element depressed material of the intermediate layer with this support element quasi a new, "common" and therefore considerably wider support element than before. This "common" support element has adapted itself virtually to the freely deforming web individually. The width of the "common" support element can be variably adjusted by means of the wall thickness and the hardness of the material of the intermediate layer in connection with the web width and rounding of the rigid support elements.
Die elastische Zwischenlage führt zu dem weiteren wichtigen Vorteil, dass die mehrdimensional wellenförmig strukturierte Materialbahn unmittelbar nach dem Strukturieren nur noch eine sehr geringe Krümmung in Richtung der Materialbahn aufweist und deshalb der anschließende Richtaufwand in die ebene Gestalt gering ist. Der Grund hierfür liegt darin, dass sich durch eine vorzugsweise dickere elastische Zwischenlage die Materialbahn nicht mehr so stark um den Stützelementkern gebogen wird und sich deshalb eher in einer nur wenig gekrümmten Gestalt während des Strukturierens befindet und deshalb der anschließende Richtprozess viel einfacher wird. Dadurch wird auch die Planlage der Materialbahn besser.The elastic intermediate layer leads to the further important advantage that the multi-dimensional wavy structured material web has only a very small curvature in the direction of the material web immediately after structuring and therefore the subsequent straightening effort in the planar shape is low. The reason for this is that the material web is no longer bent so much around the support element core by a preferably thicker elastic intermediate layer and is therefore rather in a slightly curved shape during structuring and therefore the subsequent straightening process is much easier. This also improves the flatness of the material web.
Es ergibt sich ein weiterer Vorteil. Da infolge der elastischen Zwischenlage der Krümmungsradius der dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahn größer ist als der Radius der Stützelementwalze, werden die Wülste in Laufrichtung der Materialbahn durch das anschließende Richten in die ebene Gestalt weniger stark gestaucht und deshalb auch nur wenig überhöht werden. Bei der bekannten beul- / wölbstrukturierten Materialbahn dagegen werden die Falten in Laufrichtung der Materialbahn durch das Richten stark gestaucht und dadurch die Mulden und die Falten quer zur Laufrichtung der Materialbahn stark gedehnt und so erheblich flacher gezogen. Deshalb lassen sich dreidimensional wellenförmig strukturierte Materialbahnen einfacher in die ebene Gestalt richten und erhalten vorteilhaft vergleichsweise in allen Richtungen etwa gleich oder nur wenig unterschiedliche Wulsthöhen.There is another advantage. Since due to the elastic intermediate layer of the radius of curvature of the three-dimensionally wave-structured material web is greater than the radius of the support roller element, the beads are less strongly compressed in the direction of the web by the subsequent straightening in the planar shape and therefore only slightly increased. In the known bulge / vault structured material web, however, the wrinkles are greatly compressed in the direction of the web by straightening and thereby greatly stretched the troughs and wrinkles transverse to the direction of travel of the web and thus pulled much flatter. Therefore, three-dimensionally wavy structured material webs can be easier to direct in the planar shape and advantageously obtained comparatively in all directions about the same or only slightly different bead heights.
Beispielhafte experimentelle Untersuchungen zeigen den Unterschied zwischen einer dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahn und einer bekannten beul- / wölbstrukturierten Materialbahn am Beispiel eines Stahlbleches (DC 06) der Dicke 0,8mm und einer hexagonalen Struktur mit den Schlüsselweiten 50mm auf. Bei den dreidimensional wellenförmigen Strukturen, welche mit einer 6mm dicken elastomeren Zwischenlage der Shore-Härte 60 erzeugt werden, ergibt sich zwischen den Wulsthöhen in und quer zur Laufrichtung der Materialbahn ein Verhältnis von 1,2 im Vergleich zum Verhältnis von 1,7 bei den bekannten beul- / wölbstrukturierten Strukturen. Ein weiteres Beispiel zeigt die Ergebnisse bei einem Edelstahlblech der Dicke 0,5 mm mit der hexagonalen Schlüsselweite 50mm und bei Verwendung derselben elastomeren Zwischenlage (6mm, Shore-Härte 60) auf: Es ergibt sich zwischen den Wulsthöhen in und quer zur Laufrichtung der Materialbahn ein Verhältnis von etwa 2,0 im Vergleich zum Verhältnis von etwa 3,0 bei den bekannten beul- / wölbstrukturierten Strukturen. Ein drittes Beispiel mit Aluminiumblech (6061 T6) der Dicke 0,6mm und der hexagonalen Schlüsselweite 33 mm und bei Verwendung derselben elastomeren Zwischenlage (6mm, Shorehärte 60) liefert folgende Ergebnisse: Es ergibt sich zwischen den Wulsthöhen in und quer zur Laufrichtung der Materialbahn ein Verhältnis von etwa 1,3 im Vergleich zum Verhältnis von etwa 1,9 bei den bekannten beul- bzw. wölbstrukturierten Strukturen. Infolge der homogenen Höhen der Wülste ergeben sich gleichmäßigere, d. h. verbesserte richtungsunabhängige, Biege-, Schub- und Torsionssteifigkeiten der dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahn gegenüber der bekannten beul- / wölbstrukturierten Materialbahn. Die Vorteile gleichmäßigerer Wulsthöhen bestehen in resultierenden gleichmäßigeren Formsteifigkeiten in verschiedenen Wandrichtungen, als das bei der Verwendung der bekannten Beul- bzw. Wölbstruktur zu erreichen ist.Exemplary experimental investigations show the difference between a three-dimensional wave-structured material web and a known bulge / vault structured Material web using the example of a steel sheet (DC 06) of thickness 0.8 mm and a hexagonal structure with the key widths of 50 mm. In the three-dimensional wave-shaped structures, which are produced with a 6 mm thick elastomeric interlayer of Shore hardness 60, results in a ratio of 1.2 compared to the ratio of 1.7 in the known between the bead heights in and across the direction of travel of the web bulge / vault structured structures. Another example shows the results for a 0.5 mm thick stainless steel sheet with the hexagonal wrench size 50 mm and when using the same elastomeric intermediate layer (6 mm, Shore hardness 60): The result is between the bead heights in and across the direction of travel of the material web Ratio of about 2.0 compared to the ratio of about 3.0 in the known bulge / vault structured structures. A third example with aluminum sheet (6061 T6) of thickness 0.6 mm and hexagonal wrench size 33 mm and using the same elastomeric intermediate layer (6 mm, Shore hardness 60) gives the following results: It results between the bead heights in and across the direction of the web Ratio of about 1.3 compared to the ratio of about 1.9 in the known bulge or vault structured structures. As a result of the homogeneous heights of the beads, more uniform, ie improved, direction-independent, bending, shear and torsional stiffnesses of the three-dimensionally wave-shaped structured material web compared to the known bulge / vault-structured material web are obtained. The advantages of more uniform bead heights are the resulting more uniform shape stiffnesses in different wall directions than can be achieved with the use of the known buckling or buckling structure.
Da bei dem Verfahren eine starke Krümmung während des Strukturierens vermieden wird, ergeben sich auch bei höherfesten Materialien, wie hochfestes Blech und sogar faserverstärkten Kunststoffen, eine verbesserte Richtbarkeit der dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialien.Since the method avoids a strong curvature during patterning, even with higher-strength materials, such as high-strength sheet metal and even fiber-reinforced plastics, improved directionality of the three-dimensionally wave-shaped structured materials results.
Ein Vorteil einer elastomeren Zwischenlage besteht insbesondere darin, dass das Elastomer der Zwischenlage beim Andrücken der Materialbahn nicht nur senkrecht sondern auch parallel zur Materialbahn "fließt" und dadurch Scherkräfte zwischen dem Elastomer und der Wandoberfläche der Materialbahn entstehen. Diese zusätzlichen Scherkräfte bewirken gemeinsam mit dem "gemeinsamen" breiten Stützelement, dass sich eine breite und zugleich gleichmäßig gekrümmte Wulst (im Gegensatz zur schmalen Beulfalte beim Beul- / Wölbstrukturieren) in der Materialbahn ausbildet.An advantage of an elastomeric intermediate layer is in particular that the elastomer of the intermediate layer during pressing of the material web "flows" not only perpendicular but also parallel to the material web and thereby shear forces between the elastomer and the wall surface of the material web arise. These additional shear forces work together with the "common" broad support element that forms a broad and at the same time evenly curved bead (in contrast to the narrow Beulfalte the buckling / Völbstrukturieren) in the material web.
Die Wülste erleichtern auch das Richten der dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahn in die ebene Gestalt. Das lässt sich erklären, indem das Verhalten der Falten der bekannten Beul- / Wölbstrukturen mit den Wülsten der dreidimensional wellenförmigen Strukturen miteinander verglichen werden. Beide Strukturen haben gemeinsam, dass sie durch hexagonal angeordnete Stützelemente aus der gekrümmten glatten Ausgangsmaterialbahn heraus entstanden sind. Es bilden sich die hexagonalen Strukturen auf einem Zylinderumfang. Dabei laufen an den Eckpunkten des Hexagons jeweils drei Falten / Wülste zu einem Sternpunkt zusammen und ergeben infolge der zylindrischen Materialbahn jeweils eine kleine räumliche Dreieckspyramide. Solange diese Dreieckspyramide eine räumliche Ausdehnung aufweist (großes Flächenträgheitsmoment), verhält sie sich gegenüber äußeren Belastungen formsteif und stabil, weil die auf die Pyramide wirkenden äußeren Kräfte günstig und spannungsarm abgeleitet und verteilt werden. Dabei verhalten sich die Falten / Wülste quasi wie Stäbe und die eingeschlossenen Muldenabschnitte quasi wie kleine Schubfelder. Beim Richten der gekrümmten strukturierten Materialbahn in die ebene Gestalt wird die Pyramidenspitze überproportional (geometrisch- nicht-linear) durch Stauchen der Falten / Wülste auf Druck belastet, bis ein plastisches Verformen des Werkstoffes auftritt und die Gefahr eines instabilen "Umklappens " (dynamischer Durchschlag) von der konvexen in die konkave Krümmung der Pyramide und damit der gesamten Materialbahn auftritt. Bei den bekannten Falten mit ihren engen Biegeradien der beul- / wölbstrukturierten Materialbahn tritt dieser unerwünschte Umklappvorgang tatsächlich auf und wurde mehrfach anhand von optisch sichtbaren sehr unregelmäßigen kleinen Wellungen im Bereich der Sternpunkte beobachtet. Bei den dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahnen tritt dieses unerwünschte "Umklappen" nicht oder nur sehr abgeschwächt auf, weil die Wülste viel breiter sind als die engen Falten. Bei den breiten Wülsten werden die hohen Spannungen in den Pyramidenspitzen entsprechend den Sternpunkten von drei zusammenlaufenden Wülsten gleichmäßiger abgeleitet als bei den engen Falten der bekannten Beul- / Wölbstrukturen.The beads also facilitate the straightening of the three-dimensional wave-shaped structured material web in the planar shape. This can be explained by comparing the behavior of the folds of the known bulge / bulge structures with the bulges of the three-dimensional undulating structures. Both structures have in common that they are formed by hexagonal support elements from the curved smooth starting material web out. The hexagonal structures form on a cylinder circumference. In each case, three folds / bulges converge at the corner points of the hexagon to form a star point and, as a result of the cylindrical material web, each result in a small spatial triangular pyramid. As long as this triangle pyramid has a spatial extent (large area moment of inertia), it behaves dimensionally stable and stable to external loads, because the external forces acting on the pyramid are low and low-voltage derived and distributed. The folds / bulges behave more or less like rods and the trapped depression sections almost like small shear fields. When directing the curved structured material web in the planar shape of the Pyramidenspitze is disproportionately (geometrically non-linear) by compressing the folds / beads loaded on pressure until a plastic deformation of the material occurs and the risk of unstable "flip" (dynamic breakdown) from the convex to the concave curvature of the pyramid and thus the entire material web occurs. In the known folds with their narrow bending radii of the bulge / vault-structured material web, this undesired folding-over process actually occurs and has been repeatedly observed on the basis of optically visible very irregular small undulations in the region of the star points. In the three-dimensional wave-shaped structured material webs, this unwanted "folding over" does not occur or only very weakly, because the beads are much wider than the narrow folds. In the case of the wide beads, the high tensions in the pyramid tips are derived more uniformly in accordance with the star points of three converging beads than in the narrow folds of the known bulge / crown structures.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zur äußeren Druckbeaufschlagung ein Druckbauteil aus einem Elastomer oder einem Wirkmedium verwendet wird.In a preferred development of the invention it can be provided that a pressure component made of an elastomer or an active medium is used for the external pressurization.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß anstatt einer separaten elastischen Zwischenlage der elastomere Werkstoff direkt auf dem Kern, auf dem die starren Stützelemente angebracht sind, fixiert ist. Dadurch kann die mitgeführte elastische Zwischenschicht entfallen.In a further advantageous embodiment of the invention can be provided that instead of a separate elastic intermediate layer of the elastomeric material is fixed directly on the core on which the rigid support members are mounted. As a result, the entrained elastic intermediate layer can be omitted.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung kann vorsehen, dass die starren Stützelemente auf einem Kern oder in einem Werkzeug angeordnet werden, welcher / welches eine einer gewünschten Wulststruktur der Wülste angepasste Kontur aufweist. So kann in einer Ausgestaltung auf die zusätzliche elastische Zwischenlage verzichtet werden. Die Kontur der starren Stützelemente ist bereits den oben beschriebenen "gemeinsamen" Stützelementen entsprechend gebildet. Das "gemeinsame" Stützelement ergibt sich, wie oben beschrieben, aus dem ursprünglich schmalen Stützelement und der sich selbst einstellenden Kontur des Elastomers der zusätzlichen Zwischenlage bei der dreidimensional wellenförmigen Strukturierung. Vorzugsweise kann der Durchmesser der starren Stützelementwalze so gewählt werden, dass er dem Krümmungsradius der Materialbahn, welcher sich aus dem Strukturierungsprozess mit elastischer Zwischenlage von selbst ausbildet (dieser ist größer als der Krümmungsradius der ursprünglichen Stützelementwalze), nachempfunden ist. Anhand des oben beschriebenen experimentellen Vergleichs auf der Basis von Werkstoff DC 06, einer Wanddicke 0,8mm und einer Schlüsselweite 50mm ergibt sich ein Verhältnis des Durchmessers der neuen Stützelementwalze ohne elastomerer Zwischenlage zum Durchmesser der Stützelementwalze mit elastomerer Zwischenlage von etwa 1,5.An advantageous embodiment of the invention can provide that the rigid support elements are arranged on a core or in a tool, which / has a contour adapted to a desired bead structure of the beads. Thus, in one embodiment, the additional elastic intermediate layer can be dispensed with. The contour of the rigid support elements is already formed according to the "common" support elements described above. The "common" support element results, as described above, from the originally narrow support element and the self-adjusting contour of the elastomer of the additional intermediate layer in the three-dimensional wave-like structuring. Preferably, the diameter of the rigid support member roll may be selected to be similar to the radius of curvature of the web formed by the self-leveling elastic structuring process (which is greater than the radius of curvature of the original support roll). Based on the above-described experimental comparison on the basis of material DC 06, a wall thickness of 0.8 mm and a wrench size 50 mm results in a ratio of the diameter of the new support element roller without elastomeric intermediate layer to the diameter of the support element roller with elastomeric intermediate layer of about 1.5.
Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung des Verfahrens zum Herstellen dreidimensional wellenförmig strukturierter Materialbahnen mit Hilfe einer elastischen Zwischenlage besteht darin, dass auf dem gleichbleibenden Stützelementwalzenumfang eine geringere Anzahl von Stützelementen angeordnet wird, so dass somit größere Strukturen entstehen. Infolge der elastischen Zwischenlage verlässt die strukturierte Materialbahn die Strukturwalze mit einer Krümmung, die der einer entsprechend größeren Strukturierungswalze ohne Verwendung der elastischen Zwischenlage entspricht. Der Vorteil hierbei liegt darin, dass die dreidimensional wellenförmigen Strukturen auf diese Weise mit tieferen Mulden ausgestattet werden können. Die Strukturen sind hierbei tiefer ausgeprägt, weil eine kleinere Anzahl von Strukturen auf dem gleichen Zylinderumfang einen größeren Winkelabschnitt einer Struktur auf dem Zylinderumfang zur Folge hat.A further expedient embodiment of the method for producing three-dimensionally wave-shaped structured material webs with the aid of an elastic intermediate layer is that a smaller number of support elements is arranged on the uniform support element roll circumference, so that larger structures are formed. As a result of the elastic liner The structured material web leaves the structure roller with a curvature corresponding to that of a correspondingly larger structuring roller without the use of the elastic intermediate layer. The advantage here is that the three-dimensional wave-shaped structures can be equipped in this way with deeper troughs. The structures are in this case more pronounced because a smaller number of structures on the same cylinder circumference has a larger angle section of a structure on the circumference of the cylinder result.
Bevorzugt ist bei einer Fortbildung der Erfindung vorgesehen, dass die wellenförmige und dreidimensional gebildete Strukturierung mit einer geringen Krümmung ("Coilset") gebildet wird. Im Gegensatz dazu ist die Krümmung der bekannten beul- / wölbstrukturierten Materialbahn sehr groß, weil sich die strukturierte Materialbahn beim Strukturieren eng an die Stützelementwalze anschmiegt.In a further development of the invention, it is preferably provided that the undulating and three-dimensional structuring is formed with a low curvature ("coil set") . In contrast, the curvature of the known bulge / vault structured material web is very large, because the structured material web closely adheres to the support element roll during structuring.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die dreidimensional wellenförmig strukturierte Materialbahnen mit Hilfe einer kompletten mechanischen Formmatrize (anstelle einer Stützelementwalze), in welche die Konturen einer bereits dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahn mit Hilfe einer mechanischen Fertigung eingearbeitet sind, erzeugt wird. Auf diese Weise kann auf die zusätzliche elastische Zwischenlage verzichtet werden. So wird die zu strukturierende Materialbahn mit Hilfe eines Wirkmediums, beispielsweise eines elastischen oder pneumatischen / hydraulischen Kissens oder einer elastischen Druckwalze, unmittelbar gegen die mechanische Formmatrize gedrückt und hierbei dreidimensional wellenförmig strukturiert. Der Vorteil besteht darin, dass kein Verschleiß einer elastischen Zwischenlage auftritt und keine zusätzliche Vorrichtung für den Transport und die Führung der elastischen Zwischenlage benötigt wird. Anstatt des Wirkmediums kann auch ein mechanischer Stempel verwendet werden, in den ebenfalls die entsprechenden Konturen eingearbeitet sind, die der dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahn nachempfunden sind.A further embodiment of the invention provides that the three-dimensionally wave-shaped structured material webs is produced by means of a complete mechanical forming die (instead of a support element roll) into which the contours of an already three-dimensional wave-shaped structured material web are integrated by means of a mechanical production. In this way can be dispensed with the additional elastic intermediate layer. Thus, the web to be structured is pressed with the aid of an active medium, for example an elastic or pneumatic / hydraulic pad or an elastic pressure roller, directly against the mechanical forming die and in this case three-dimensionally wave-shaped. The advantage is that no wear of an elastic intermediate layer occurs and no additional device for transporting and guiding the elastic intermediate layer is needed. Instead of the active medium, it is also possible to use a mechanical stamp, into which the corresponding contours are likewise incorporated, which are modeled on the three-dimensionally wavy structured material web.
Eine in der vorbeschriebenen Weise ausgebildet und hergestellte Materialbahn kann gemäß einer der dargestellten Ausführungsformen, wahlweise nach geeigneter Weiterverarbeitung, in verschiedenen Anwendungen unter Ausnutzung der beschriebenen vorteilhaften Eigenschaften verwendet werden, insbesondere als strukturierte Materialbahn für Teile bei Fahrzeugen, beispielsweise eine versteifende und stoßenergieabsorbierende Verstärkungsschale für eine Motorhaube, eine Heckklappe, ein Seitenteil, eine Trennwand, ein Bodenteil. Als Werkstoff werden je nach Anwendungsgebiet zweckmäßig genutzt: Stahl, Aluminium, Titan, Magnesium oder Legierungen hiervon.A material web formed and produced in the manner described above can be used according to one of the illustrated embodiments, optionally after suitable further processing, in various applications by utilizing the described advantageous properties be, in particular as a structured material web for parts in vehicles, for example, a stiffening and impact energy absorbing reinforcing shell for a hood, a tailgate, a side part, a partition, a bottom part. Depending on the field of application, the material is suitably used: steel, aluminum, titanium, magnesium or alloys thereof.
Im Gegensatz zur Falte bei der aus dem Stand der Technik bekannten Strukturierung verhält sich die Wulst viel unempfindlicher gegen über thermischen Ausdehnungsbehinderungen bei Temperaturwechselbeanspruchungen und bei Schwingungsbelastungen. Schließlich wird infolge des größeren Deformationsvermögens der Wulst gegenüber der bekannten Falte der Versagensfall bei äußerer Belastung, insbesondere bei Stoßbelastung erheblich weiter zu größeren Belastungen hin verschoben. Deshalb sind dreidimensional versteifte dünne Wände oder Folien oder Sandwichs besonders gut im Bereich der Fahrzeugtechnik, wie für Wände, Dächer und Karosserieteile, im Bereich der Luft- und Raumfahrt für Paneele, Sonnensegel, Einhausungen, Kapselungen, Isolierungen und Apparatewände sowie in der Kryotechnik (bei tiefen Temperaturen) und in der Wärmetechnik (bei hohen Temperaturen) geeignet. Bei all diesen beispielhaft genannten Anwendungen zeigen sich die synergetischen Vorteile dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialien hinsichtlich hoher Steifigkeit, geringem Gewicht und Sicherheit bei unterschiedlichen dynamischen Belastungen.In contrast to the fold in the known from the prior art structuring, the bead behaves much less sensitive to thermal expansion obstacles in thermal cycling and vibration loads. Finally, due to the greater deformability of the bead relative to the known fold of the failure case under external load, especially at impact load shifted considerably further to greater loads. Therefore, three-dimensionally stiffened thin walls or foils or sandwiches are particularly well in the field of automotive engineering, such as for walls, roofs and body panels, aerospace for panels, awnings, enclosures, encapsulation, insulation and apparatus walls and in the cryotechnology (at low temperatures) and in thermal engineering (at high temperatures) suitable. In all of these exemplified applications, the synergistic benefits of three-dimensional wavy structured materials are demonstrated in terms of high stiffness, low weight, and safety at different dynamic loads.
Wenn zwei oder mehrere dreidimensional wellenförmig strukturierte Materialbahnen miteinander durch thermisches Fügen, mechanisches Fügen und / oder Kleben beim Übereinanderlegen der gleichmäßig kugelförmig gekrümmten Kalotten der dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahn verbunden werden, ergeben sich weitere Vorteile der einfachen Konstruktion. Hierzu zählt beispielsweise ein Strömungskanal mit einer vorteilhaften Verwirbelung oder Umlenkung einer Strömungsgrenzschicht für einen verbesserten Wärme- und Stoffaustausch. Dazu zählt ferner eine Sandwichbauweise für eine definierte Wärmeleitung oder Wärmedämmung aus dünnen, miteinander punktförmig verbundenen strukturierten und zugleich formsteifen dünnen Wänden oder Folien, die beispielsweise in der Raumfahrttechnik Anwendung finden können.If two or more three-dimensionally wavy structured material webs are joined together by thermal joining, mechanical joining and / or gluing when superimposing the uniformly spherical domes of the three-dimensionally wave-structured material web, further advantages of the simple construction result. These include, for example, a flow channel with an advantageous turbulence or deflection of a flow boundary layer for improved heat and mass transfer. This also includes a sandwich construction for a defined heat conduction or thermal insulation of thin, punctiform connected structured and dimensionally stable thin walls or foils, which can be used, for example, in space technology.
Bei der Verwendung als eine innere Verstärkungsschale, die mit einer äußeren Motorhaubenschale verbunden wird, um beim Kopfaufprall den Fußgänger zu schützen, besitzt die wellenförmige und dreidimensional strukturierte Materialbahn den wesentlichen Vorteil, dass auch sehr tiefe Strukturen hergestellt werden können, die für eine gleichmäßige und zugleich stoßenergieabsorbierende Wirkung beim körperverträglichen Kopfaufprall besser geeignet sind als die bekannten Motorhaubenschalen (Verstärkungsschalen) mit den Beul- / Wölbstrukturen, die in den Dokumenten
Bei Nutzung der strukturierten Materialbahn für Dosen, insbesondere Konservendosen besitzt die Strukturierung mit Wülsten und Kalotten den Vorteil, dass größere Strukturtiefen angewendet werden können. Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass sich die im Vergleich zur bekannten engen Falte der Beul- / Wölbstrukturen die breiteren Wülste erheblich unempfindlicher gegenüber örtlichem Einknicken bei seitlichem Anschlagen der Dosen gegeneinander (bei ihrer Herstellung oder auch später beim Transport) oder beim Greifen der gefüllten Dosen durch den Verbraucher verhalten.When using the structured material web for cans, in particular cans, the structuring with beads and calottes has the advantage that larger structure depths can be applied. Another advantage results from the fact that in comparison to the known tight fold of the bulge / bulge structures, the wider beads considerably less sensitive to local buckling in lateral striking the cans against each other (during their production or later during transport) or when gripping the filled Canned by the consumer behavior.
Bei Nutzung der dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahn in der Leuchtenindustrie, insbesondere für Reflektoren mit diffuser, blendarmer Lichtstreuung ergeben die gleichmäßigen kugelförmigen Kalotten den Vorteil, dass sogar auch bei großen Strukturen eine exakte punktförmige Reflexion nach dem Prinzip der Lichtpunktzerlegung erzielt wird.When using the three-dimensional wave-shaped structured material web in the lighting industry, especially for reflectors with diffuse, low-glare light scattering, the uniform spherical domes provide the advantage that even with large structures an exact point-like reflection is achieved according to the principle of light point separation.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
- Fig. 1
- schematisch eine Vorrichtung zum Herstellen einer herkömmlichen beul- / wölbstrukturierten Materialbahn nach dem Stand der Technik;
- Fig. 2
- schematisch eine Vorrichtung zum Herstellen einer wellenförmigen und dreidimensional gebildeten Strukturierung einer Materialbahn mit Hilfe einer transportierten elastischen Zwischenlage nach der Erfindung;
- Fig. 3
- im oberen Bild den Querschnitt durch einen dünnwandigen runden Zylinder (gestrichelter Kreis) und eine sinusförmige, elastische Welle (durchgezogene Linie), die sich bei geringer äußerer, allseitiger hydraulischer Druckbelastung (vor dem dynamischen Durchschlag) einstellt, und im unteren Bild eine "girlandenförmige" Welle nach dem dynamischen Durchschlag (bei erhöhter äußerer, allseitiger hydraulischer Druckbelastung);
- Fig. 4
- im oberen Bild den Querschnitt einer dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahn im Schnitt entlang einer Linie A - A und im Schnitt entlang einer Linie B-B und im unteren Bild die entsprechende Draufsicht mit der Positionierung dieser beiden Schnitte;
- Fig. 5
- schematisch eine Vorrichtung zum Herstellen einer dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahn mit Hilfe eines Kerns mit breiten Stützelementen (oberer Teil) und eine Draufsicht auf einen Ausschnitt der dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahn (unterer Teil);
- Fig. 6
- den Querschnitt durch eine dreidimensional wellenförmig strukturierte Materialbahn mit einfallenden und reflektierten Lichtstrahlen;
- Fig. 7
- einen Abschnitt einer Motorhaube im Querschnitt und eine Verstärkungsschale in Aufsicht;
- Fig. 8
- im Querschnitt einen Abschnitt einer Motorhaube für den Fußgängerschutz mit einer inneren Verstärkungsschale aus einer dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahn;
- Fig. 9
- einen Abschnitt eines dünnwandigen Rohres im Querschnitt aus einem dreidimensionalen wellenförmig strukturierten dünnwandigen Material;
- Fig. 10
- im oberen Bild den Querschnitt durch eine strukturierte, dünne und zugleich formsteife Wand aus einer dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahn und im unteren Bild den Querschnitt durch ein Sandwich aus einem oberen und unteren Gurt aus einer dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahn;
- Fig. 11
- eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines Verfahrens zum Herstellen eines ovalförmigen Rohrabschnittes aus einem kreisrunden Rohrabschnitt unter Verwendung einer dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahn vor dem Verformen zum ovalförmigen Rohrabschnitt;
- Fig. 12
- eine weitere schematische Darstellung zur Erläuterung des Verfahrens zum Herstellen des ovalförmigen Rohrabschnittes aus dem kreisrunden Rohrabschnitt unter Verwendung der dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahn nach dem Verformen zum ovalförmigen Rohrabschnitt;
- Fig. 13
- eine schematische Darstellung einer in ihrer Laufrichtung gebogenen, dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahn im Querschnitt mit zwei Strukturen in einer Krümmung im oberen Bild und mit einer einzigen Struktur in der Krümmung im mittleren Bild sowie eine dreidimensional wellenförmig strukturierte Materialbahn vor der Verformung (Bild unten links) und nach der Verformung (Bild unten rechts) in Draufsicht;
- Fig. 14
- eine schematische Darstellung eines Abschnitts einer geschwungenen Motorhaube für den Fußgängerschutz mit einer inneren Verstärkungsschale aus einer dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahn und einer äußeren glatten Motorhaubenschale; und
- Fig. 15
- eine schematische Darstellung zum Erläutern des Herstellens einer bekannten beul- / wölbstrukturierten Materialbahn (oberes Bild links), einer dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahn mit elastischer Zwischenlage (unteres Bild links), einer dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahn bei einer größeren Stützelementwalze mit breiteren, starren Stützelementen ohne elastische Zwischenlage (oberes Bild rechts) und einer dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahn mit einer Stützelementwalze mit einer reduzierten Anzahl von Strukturen auf dem Umfang sowie mit einer elastischen Zwischenlage.
- Fig. 1
- schematically an apparatus for producing a conventional bulge / vault structured material web according to the prior art;
- Fig. 2
- schematically an apparatus for producing a wavy and three-dimensionally formed structuring of a material web by means of a transported elastic intermediate layer according to the invention;
- Fig. 3
- in the upper picture, the cross-section through a thin-walled round cylinder (dashed circle) and a sinusoidal, elastic wave (solid line), which occurs at low external, all-round hydraulic pressure load (before the dynamic breakdown), and in the lower picture a "garland-shaped" Shaft after dynamic breakdown (with increased external, all-round hydraulic pressure load);
- Fig. 4
- in the upper picture the cross-section of a three-dimensionally wavy structured material web in section along a line A - A and in section along a line BB and in the lower picture the corresponding plan view with the positioning of these two sections;
- Fig. 5
- schematically an apparatus for producing a three-dimensional wavy structured material web by means of a core with wide support elements (upper part) and a plan view of a section of the three-dimensional wave-shaped structured material web (lower part);
- Fig. 6
- the cross section through a three-dimensional wave-shaped structured material web with incident and reflected light rays;
- Fig. 7
- a section of a hood in cross-section and a reinforcing shell in plan view;
- Fig. 8
- in cross section a portion of a hood for pedestrian protection with an inner reinforcing shell of a three-dimensional wave-shaped structured material web;
- Fig. 9
- a section of a thin-walled tube in cross-section of a three-dimensional wavy-structured thin-walled material;
- Fig. 10
- in the upper picture, the cross section through a structured, thin and dimensionally stable wall of a three-dimensionally wave-shaped structured material web and in the lower picture the cross section through a sandwich of an upper and lower belt of a three-dimensional wavy structured material web;
- Fig. 11
- a schematic representation for explaining a method for producing an oval-shaped pipe section of a circular pipe section using a three-dimensionally wave-shaped structured material web before forming the oval-shaped pipe section;
- Fig. 12
- a further schematic representation for explaining the method for producing the oval-shaped pipe section from the circular pipe section using the three-dimensional wave-shaped structured material web after deformation to the oval-shaped pipe section;
- Fig. 13
- a schematic representation of a curved in their direction, three-dimensional wave-structured material web in cross-section with two structures in a curve in the upper image and a single structure in the curvature in the middle image and a three-dimensional wave-shaped structured material web before deformation (bottom left) and after deformation (bottom right picture) in plan view;
- Fig. 14
- a schematic representation of a portion of a curved hood for pedestrian protection with an inner reinforcing shell of a three-dimensional wave-shaped structured material web and an outer smooth hood shell; and
- Fig. 15
- a schematic representation for explaining the production of a known bulge / wölbstrukturierten material web (upper image left), a three-dimensional wavy structured material web with elastic intermediate layer (lower image left), a three-dimensional wavy structured material web at a larger support element roller with wider, rigid support elements without elastic Intermediate layer (top right picture) and a three-dimensional wavy structured material web with a support roller with a reduced number of structures on the circumference and with an elastic intermediate layer.
Im folgenden wird zunächst das Herstellen einer Materialbahn aus einem Bahnwerkstoff mit einer wellenförmigen und dreidimensional gebildeten Strukturierung unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 14 beschrieben. Für gleiche Merkmale werden in den Fig. 1 bis 14 dieselben Bezugszeichen verwendet.In the following, the production of a material web from a web material having a wave-shaped and three-dimensionally formed structuring will first be described with reference to FIGS. 1 to 14. For the same features, the same reference numerals are used in Figs.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zum Herstellen einer herkömmlichen beul- / wölbstrukturierten Materialbahn 9 nach dem Stand der Technik mit einem Stützelementkern 3 und einer elastischen Druckwalze 4. Nachteilig ist, dass sich die beul- / wölbstrukturierte Materialbahn 9, die aus Falten 10 (erheblich mehr plastifiziert) und Mulden 11 (vergleichsweise flacher und mehr abgeplattet) besteht, beim Strukturieren eng an den Stützelementkern 3 schmiegt und deshalb die Strukturierungsanlage mit einer sehr starken Krümmung verlässt. Deshalb werden die Falten 10 und die Mulden 11 beim anschließenden Richten in die ebene Gestalt zusätzlich deformiert und dabei erheblich plastifiziert.1 shows schematically an apparatus for producing a conventional bulge / vault structured
Fig. 2 zeigt schematisch eine Vorrichtung zum Herstellen einer wellenförmigen und dreidimensional gebildeten Strukturierung einer Materialbahn 2, wobei eine elastische Druckwalze 4 eine glatte Materialbahn 1 gegen eine elastische Zwischenlage 5 und die Zwischenlage 5 gegen einen Stützelementkern 3 drückt. Durch das Eindrücken des Elastomers der Zwischenlage 5 im Bereich des wirksamen Stützelements entsteht quasi von selbst ein "gemeinsames" angepasstes, breiteres Stützelement, bestehend aus dem starren Stützelement 3 und dem angedrückten Elastomer 5, das vergleichsweise breite Wülste 6 in der Materialbahn 2 erzeugt.Fig. 2 shows schematically an apparatus for producing a wavy and three-dimensionally formed structuring of a
Die zick-zack-förmigen Wülste sind in Fig. 2 nur als Linie 7 zu erkennen. Auf diese Weise und ferner durch den Reibschluss zwischen dem "Fluss" des Elastomers der Zwischenlage 5 (eingequetschtes Elastomer unmittelbar bei den Flanken des Stützelements) und der Materialbahn wird die Materialbahn im Bereich der Wülste 6 gleichmäßig deformiert und vergleichsweise nur sehr wenig plastifiziert. Deshalb kann der Anpressdruck der elastischen Druckwalze 4 weiter gesteigert werden, um sogar tiefe Kalotten 8 in der strukturierten Materialbahn 2 zu erzeugen, ohne dass der Werkstoff reißt. Die Kalotten 8 erhalten vorzugsweise bei hexagonalen Stützelementen eine etwa kugelförmige Kalottengestalt. Die dreidimensional wellenförmig strukturierte Materialbahn 2 tritt mit einer geringeren Krümmung (sogenannter Coilset) aus der Strukturierungsanlage aus, als es in Fig. 1 der Fall ist. Die strukturierte Materialbahn 2 in Fig. 2 ist etwas vorgerichtet. Die nachgeschaltete Richteinheit ist nicht explizit dargestellt.The zig-zag-shaped beads can be seen in Fig. 2 only as
Fig. 3 zeigt im oberen Teil den Querschnitt durch einen dünnwandigen runden Zylinder (gestrichelter Kreis) und die sinusförmige, elastische Welle 12 (durchgezogene Linie), die sich bei geringer äußerer, allseitiger hydraulischer Druckbelastung (vor dem dynamischen Durchschlag) einstellt. Das untere Bild zeigt nach dem dynamischen Durchschlag bei erhöhter äußerer, allseitiger hydraulischer Druckbelastung die zum bekannten Beulstrukturieren vergleichbare, "girlandenförmige" Welle, die aus den Beulfalten 10 und den Beulmulden 11 besteht. Beim Durchschlagen ziehen sich jeweils die äußeren Sinus-Halbwellen 12 (oberer Teil in Fig. 3) zur Beulfalte 10 (unterer Teil in Fig. 3) zusammen. Auf diese Weise entsteht die Beulmulde 11 in der Form einer inneren Cosinus-Halbwelle, wobei die Wellenlänge dieser Cosinus-Halbwelle doppelt so groß ist wie die der ursprünglichen Sinus-Halbwelle. Durch den dynamischen, noch nicht gedämpften Durchschlag beim bekannten Beul- / Wölbstrukturieren bilden sich die bekannten Beulfalten 10 mit ihren sehr engen Biegeradien aus.Fig. 3 shows in the upper part of the cross section through a thin-walled round cylinder (dashed circle) and the sinusoidal, elastic shaft 12 (solid line), which adjusts at low external, all-round hydraulic pressure load (before the dynamic breakdown). The lower image shows after the dynamic breakdown with increased external, all-round hydraulic pressure load comparable to the known Beulstrukturieren, "garland-shaped" wave, which consists of the
Fig. 4 zeigt im oberen Bild den Querschnitt einer dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahn 2 im Schnitt A - A und im Schnitt B - B und im unteren Bild die entsprechende Draufsicht mit der Positionierung dieser beiden Schnitte. Durch das Richten der gekrümmten, strukturierten Materialbahn in die ebene Gestalt wurden die zick-zack-förmigen Wülste 7 in Richtung der Materialbahn 2 (siehe Pfeil in Fertigungsrichtung im unteren Bild) etwas gestaucht und die Wülste 6 quer zur Richtung der Materialbahn 2 etwas gedehnt. Deshalb ist die Strukturhöhe der Wülste und der Kalotten im Schnitt A - A größer als im Schnitt B - B.4 shows in the upper picture the cross section of a three-dimensional wave-shaped
Fig. 5 zeigt im oberen Teil schematisch eine Vorrichtung zum Herstellen einer dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahn 2 mit breiten Stützelementen 13 auf dem Stützelementkern 3 und einer elastischen Druckwalze 4. Die Breite und die Rundung der Stützelemente 13 entsprechen vorzugsweise der Breite des "gemeinsamen" angepassten Stützelementes aus dem starren Stützelement und dem angedrückten Elastomer, wodurch die vergleichsweise breiten Wülste 14 (nachempfunden aus den Wülsten 6 in der Materialbahn 2 aus Fig. 2) erzeugt wurden.Fig. 5 shows in the upper part schematically an apparatus for producing a three-dimensionally wave-shaped
Damit die gerundete Kontur der angepassten breiten Stützelemente 13 durch Andrücken der Druckwalze 4 auch tatsächlich auf die Kontur der Wülste 6 der Materialbahn übertragen wird, erhält das Elastomer der Druckwalze 4 in Fig. 5 ohne elastische Zwischenlage 5 vorzugsweise eine etwas höhere Shore-Härte als das Elastomer der Druckwalze 4 in Fig. 2 mit elastischer Zwischenlage 5. Während beispielsweise das Elastomer der Druckwalze 4 in den Fig. 1 und 2 eine Shore-Härte 60 besitzt, kann das Elastomer der Druckwalze 4 in Fig. 5 mit einer Shore-Härte 65 bis 70 ausgestattet werden.So that the rounded contour of the adapted
Da die sich einstellenden Wülste 6 aufgrund der breiten "gemeinsamen" Stützelemente in Fig. 2 und der breiten starren Stützelemente 13 in Fig. 5 viel größer ist als die engen Falten 10 bei dem bekannten Beul- / Wölbstrukturierprozesses in Fig. 1, kann in den Fig. 2 und 5 der Anpressdruck der Druckwalze 4 gegen die zu strukturierende Materialbahn noch erheblich gesteigert werden, ohne dass der Werkstoff der Materialbahn reißt. So können vergleichsweise tiefe Strukturen hergestellt werden, die beispielsweise für die Crashenergieabsorption einer Motorhaube oder für Sandwichkonstruktionen mit großer Wandversteifung infolge eines großen Flächenträgheitsmomentes bei vergleichsweise geringem Gewicht oder beispielsweise für einen Strömungskanal oder einen Wärmeaustauscher aus zwei oder mehreren übereinander geschichteten und miteinander gefügten strukturierten Materialbahnen mit einem vergleichsweise großem Strömungsquerschnitt, beispielsweise für Gas-Gas-Wärmeaustauscher, hergestellt werden. Beispielsweise kann mit Hilfe einer Hexagonalstruktur der Schlüsselweite 50mm eine 0,6mm dicke Materialbahn aus Stahlblech nach dem Verfahren in Fig. 5 eine Strukturtiefe von mehr als 6mm erreicht werden, während nach dem bekannten Beul- / Wölbstrukturierungsverfahren in Fig. 1 lediglich eine Strukturtiefe von etwa 4mm realisiert werden kann. In Fig. 5 ist die strukturierte Materialbahn 2 in einer teilweise vorgerichteten Gestalt dargestellt (nachgeschaltete Richteinheit ist nicht explizit dargestellt).Since the self-adjusting
Fig. 6 zeigt den Querschnitt durch eine dreidimensional wellenförmig strukturierte Materialbahn 2 mit tiefen, etwa kugelförmigen Kalotten 8 für eine breite, diffuse Lichtstreuung. Die drei Bilder zeigen die Reflexion des Lichts in einer gleichmäßigen und zugleich breit diffusen Lichtstreuung, die sich dadurch ergibt, dass die einfallenden Lichtstrahlen an den gleichmäßig gekrümmten und zugleich tiefen Kalotten 8 punktförmig und zugleich breit diffus reflektiert werden. So entsteht ein blendfreies oder zumindest ein sehr blendarmes reflektiertes Licht. Wird eine weniger breit gestreute Lichtreflexion gewünscht, werden flachere Kalotten 8 dadurch erzeugt, dass vorzugsweise die Materialbahn 1 mit einem geringeren Druck durch die Druckwalze 4 beim Strukturieren beaufschlagt wird. Auch hierbei ergibt sich eine gleichmäßig gekrümmte Kalotte 8 in der Materialbahn, die eine punktförmige Lichtreflexion gewährleistet. Das obere Bild und das mittlere Bild zeigen, dass infolge der etwa kugelkalottenförmigen Gestalt auch bei unterschiedlichem Einfallswinkel des Lichts eine punktförmige, diffuse Lichtreflexion erzielt wird. Das untere Bild zeigt beispielhaft eine gerichtete, diffuse Lichtstreuung.6 shows the cross section through a three-dimensionally wave-shaped
Fig. 7 zeigt schematisch im oberen Bild den Querschnitt durch eine Motorhaube für den Fußgängerschutz mit einer inneren, etwas gekrümmten Verstärkungsschale aus einer dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahn 2. Diese strukturierte Materialbahn ist an ihren Wülsten 6, 7 mit der äußeren glatten Motorhaubenschale 15 vorzugsweise durch linienförmige Klebestellen 16 verbunden. Die dreidimensional wellenförmig strukturierte Materialbahn 2 lässt sich mit Hilfe einfacher Präge- oder Kalibrierwerkzeuge, die aus starren oder elastischen Werkstoffen bestehen, an die Kontur der nur wenig gekrümmten, äußeren Motorhaubenschale 15 anpassen, weil die dreidimensional wellenförmig strukturierte Materialbahn 2 insbesondere auch bei tiefen Strukturen über große mehrdimensionale Biege- und Streckreserven verfügt, ohne dass dabei die Strukturen (Kalotten und Wülste) wieder eingeebnet werden oder örtlich einknicken. Die besonders großen Umformreserven dieser strukturierten Materialbahn 2 erlauben sogar auch komplexe, geometrische Anpassungen an individuell gestaltete äußere Motorhaubenschalen. Analoges gilt für andere Verstärkungsschalen im Fahrzeugbereich, wie für Türen, Dächer, Kotflügel, Heckklappen, Hutablagen sowie untere und seitliche Trennwände.Fig. 7 shows schematically in the upper picture the cross section through a hood for pedestrian protection with an inner, slightly curved reinforcing shell of a three-dimensional wavy
Fig. 8 zeigt den Querschnitt durch eine Motorhaube für den Fußgängerschutz mit einer inneren Verstärkungsschale aus einer dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahn 2. Dabei wird die strukturierte Verstärkungsschale vorzugsweise durch Klebestellen 17 an den Kalotten 8 der strukturierten Materialbahn 2 mit der äußeren, glatten Motorhaubenschale 15 verbundenen. Für weitere Anwendungen gelten die für Fig. 7 genannten Beispiele.8 shows the cross section through a hood for pedestrian protection with an inner reinforcing shell made of a three-dimensionally wave-shaped
Fig. 9 zeigt den Querschnitt durch einen dünnwandigen Rohrabschnitt 18 aus einer dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahn 2. Diese vereinfachte Darstellung zeigt nur den sichtbaren Rand des aufgeschnittenen dünnwandigen Rohrabschnittes 18 mit den Wülsten 6 und den Kalotten 8. Auf die Darstellung der Strukturen in der Mitte des dünnwandigen Rohrabschnittes 18 wurde verzichtet.9 shows the cross section through a thin-
Bei einer Dosenherstellung oder beim Transport von Dosen erweisen sich die gegenüber den bekannten Falten erheblich breiteren Wülste 6 und 7 unempfindlicher gegenüber seitlichem und punktförmigen Anschlagen. Analoges gilt für Kunststoffflaschen, insbesondere für PET-Flaschen.When cans are produced or cans are transported, the
Bei Verwendung von dünnwandigen Rohrabschnitten aus den dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahnen als Läuterkammerrohr, Tiegel oder Rührerschaft aus Platinlegierungen für die Glasschmelze und die Ausgasung vom geschmolzenen Glas ergeben sich erhebliche Vorteile, weil bei der thermischen Ausdehnungsbehinderung infolge der extremen Temperaturwechselbelastungen beim An- und Abfahren der Anlage die breiten Wülste 6 die auftretenden Spannungen viel gleichmäßiger und damit werkstoffschonender verteilen können.When using thin-walled pipe sections from the three-dimensional wave-structured material webs as Läuterkammerrohr, crucible or stirrer shaft of platinum alloys for the molten glass and the outgassing of the molten glass, considerable advantages arise because in the thermal expansion obstruction due to the extreme thermal cycling during startup and shutdown of the system
In den vorgenannten Anwendungen der dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahnen ergeben sich jeweils selbständige Vorteile auf den verschiedenen technischen Gebieten zusätzlich zu den erläuterten allgemeinen Vorteilen der dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahnen.In the abovementioned applications of the three-dimensionally wave-shaped structured material webs, independent advantages in each of the various technical fields result in addition to the explained general advantages of the three-dimensionally wave-shaped structured material webs.
Fig. 10 zeigt im oberen Bild den Querschnitt durch eine strukturierte, dünne und zugleich formsteife Wand aus einer dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahn 2. Das untere Bild zeigt den Querschnitt durch ein Sandwich aus einem oberen und unteren Gurt aus einer dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahn 2 und einem inneren Kunststoff- bzw. Kunststoffschaumkern 20.10 shows in the upper picture the cross section through a structured, thin and at the same time dimensionally stable wall of a three-dimensional wave-structured
Die Fig. 11 und 12 zeigen eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines Verfahrens zum Herstellen eines ovalförmigen Rohrabschnittes 25 (siehe Fig. 12) aus einem kreisrunden Rohrabschnitt 22 (siehe Fig. 11) unter Verwendung einer dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahn.11 and 12 show a schematic representation for explaining a method for producing an oval-shaped pipe section 25 (see FIG. 12) from a circular pipe section 22 (see FIG. 11) using a three-dimensionally wave-shaped structured material web.
Fig. 11 zeigt den Zustand vor der Verformung, und Fig. 12 zeigt den Zustand nach der Verformung. Das obere Bild in Fig. 11 zeigt einen Querschnitt durch ein kreisrundes dreidimensional wellenförmig strukturiertes Rohr 22 mit umlaufenden Wülsten entlang der Linie 7 und axialen Wülsten 6 sowie Kalotten 8 und zwei starren oder elastomeren Druckwalzen 24. Das untere Bild in Fig. 11 zeigt die Draufsicht auf die abgewickelte Materialbahn 23 (Blickrichtung aus der Projektion des Rohrabschnittes 22) in der Projektion des Rohrabschnittes 22.Fig. 11 shows the state before deformation, and Fig. 12 shows the state after deformation. 11 shows a cross section through a circular three-dimensional wave-shaped structured
Fig. 12 zeigt im oberen Bild den ovalförmig umgeformten Rohrabschnitt 25, welcher durch das Andrücken der Druckwalzen 24 und wahlweise der zusätzlichen starren oder elastischen Druckwalzen 27 in die gewünschte ovale Gestalt übergeführt wurde. Anstelle der Druckwalzen 24 und 27 können auch elastische oder starre Formkissen oder Druckelemente verwendet werden. Experimentelle Untersuchungen haben ergeben, dass es nicht erforderlich ist, die Druckwalzen 24 und 27, Formkissen oder Druckelemente mit einer Negativform zur dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahn auszustatten. Im einfachsten Fall genügen sogar einfache Finger-oder Handbewegungen, um das Umformen in die ovalförmige Gestalt zu vollziehen.Fig. 12 shows in the upper picture the oval shaped
Ein weitere Verfahrengestaltung sieht vor, dass beim engen Biegen mit kleinem Biegeradius der kreisrunden dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahn 22 in die ovalförmige Gestalt des Rohrabschnitts 25 sich die Wülste 6 und 7 selbständig "intelligent" beanspruchungsgerecht deformieren und dabei von der hexagonalen Anordnung der Wülste 6 und 7 mit zunehmender Krümmung (entsprechend abnehmendem Krümmungsradius) des Ovals stetig (d. h. ohne Knicke in den Mulden und Wülsten) in eine gemeinsame, etwa schlangenformige Wulst quer zur Laufrichtung der Materialbahn übergeht.Another method design provides that when tight bending with a small bending radius of the circular three-dimensional wavy
Im unteren Bild von Fig. 12 ist die Draufsicht auf die abgewickelte Mantelfläche des ovalförmigen Rohrabschnittes 25 dargestellt. Die umlaufenden Wülste 7 (in Laufrichtung der Materialbahn, Pfeilrichtung in Fig. 11 und Fig. 12) drehen / verschränken sich zu Wülsten 29 und 31. Die axialen Wülste 6 quer zur Laufrichtung der Materialbahn verkürzen sich stetig zu Wülsten 28 und 30. Im Ergebnis nehmen die Wülste 32 und 34 am Ort der kleinsten Krümmung des Ovals die Gestalt einer gemeinsamen, etwa schlangenförmigen Wulst an. All das geschieht quasi von ganz alleine, d. h. ohne den Eingriff von Formwerkzeugen, welche die schlangenförmige Negativkontur aufweisen, nach dem Energieminimierungsprinzip und gelingt mit Hilfe der dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahn mit ihren sanft gerundeten Wülsten und Kalotten. Gleichzeitig wird der lichte Abstand zwischen den axialen Wülsten 6 (entsprechend der Schlüsselweite des noch nicht verformten Hexagons) etwas reduziert, so dass der lichte Abstand zwischen den schlangenförmigen Wülsten 32 etwas geringer wird, beispielsweise um etwa 10%, als die Schlüsselweite des ursprünglichen Hexagons. Diese Effekte erklären, warum sich die dreidimensional wellenförmig strukturierte Materialbahn eng zu einem Oval biegen lässt. Deshalb können vergleichsweise große und tiefe Strukturen zwecks hoher Gesamtsteifigkeit des ovalförmigen Rohres/Kanals zum Einsatz kommen. Bei den im Stand der Technik bekannten Beul- / Wölbstrukturen ist das nicht möglich, weil beim engen Biegen der großen Strukturen ihre Mulden und Falten einknicken, wodurch die Gesamtsteifigkeit stark reduziert wird.In the lower image of FIG. 12, the plan view of the developed lateral surface of the oval-shaped
Fig. 13 zeigt schematisch im oberen und mittleren Bild den Querschnitt durch eine in ihrer Laufrichtung eng gebogene, dreidimensional wellenförmig strukturierte Materialbahn 35. Im oberen Bild sind am Ort der Krümmung der Materialbahn 35 zwei Strukturkalotten 36 angeordnet. Im mittleren Bild ist am Ort der Krümmung nur eine einzige Strukturkalotte 37 angeordnet. Diese zueinander versetzte Anordnung der Strukturkalotten am Ort der Krümmung ergibt sich aus der Geometrie der schlangenförmigen Wülste (im Querschnitt in Fig. 13 nicht sichtbar) in Querrichtung zur Laufrichtung (siehe Draufsicht auf die abgewickelte Materialbahn im unteren Bild von Fig. 12). Wenn die dreidimensional wellenförmig strukturierte Materialbahn (im Bild unten links der Fig. 13) jedoch alternativ quer zu ihrer Laufrichtung eng gebogen wird, bilden sich, wie in Fig. 13 unten rechts dargestellt, die verkürzten zick-zackförmigen Wülste 7a und entsprechend dazu die gelängten Wülste 6a am Ort der Krümmung heraus.13 shows schematically in the upper and middle picture the cross section through a narrowly curved in its running direction, three-dimensionally wave-shaped
Fig. 14 zeigt schematisch, und perspektivisch lediglich angedeutet, den Querschnitt durch eine Motorhaube 38 für ein Fahrzeug unter Verwendung einer dreidimensional wellenförmig strukturierten Verstärkungsschale mit den Wülsten 6 und 7 und den Kalotten 8. Die Kalotten 8 sind auf ihrer Außenseite beispielsweise mittels Klebepunkten 17 mit der äußeren glatten Motorhaubenschale 15, welche links und rechts mit einer geschwungenen Gestalt 39 ausgestattet ist, verbunden. Es können aber auch alternativ die Wülste 6 und 7 der dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahn durch beispielsweise Klebestellen 16 (analog zu Fig. 7) mit der äußeren Motorhaubenschale 15 (in Fig. 14 nicht explizit dargestellt) verbunden sein. Die dreidimensional wellenförmig strukturierte Materialbahn / Verstärkungsschale kann mit engen Biegeradien, wie beispielsweise im Bereich 40, und zugleich mit tiefen und großen Strukturen ausgestattet werden.Fig. 14 shows schematically, and perspectively only indicated, the cross section through a
Fig. 15 zeigt schematische Darstellungen in vier Bildern zum Erläutern des Herstellens einer mehrdimensional strukturierten Materialbahn mit Stützelementkern. Zur Vereinfachung wurde auf die Darstellung der Druckwalze 4 verzichtet. Das erste Bild (oben links) zeigt die beul- / wölbstrukturierte Materialbahn 9, die sich beim Strukturieren an den Stützelementkern 3 mit dem Radius R1, auf dessen Umfang 8 Strukturen angeordnet sind, eng anschmiegt (analog zu Fig. 1).15 shows schematic representations in four images for explaining the production of a multi-dimensionally structured material web with support element core. For simplicity, the illustration of the
Das zweite Bild (unten links) zeigt die dreidimensional wellenförmig strukturierte Materialbahn 2 an dem Stützelementkern 3 mit der elastischen Zwischenlage 5. Die dreidimensional wellenförmig strukturierte Materialbahn 2 verläßt von selbst (d. h. ohne Einfluß einer nachgeschalteten Richteinheit) die Strukturiervorrichtung mit einer natürlichen Krümmung entsprechend dem Krümmungsradius R2 = 1,5 * R1, wobei die Größe (Schlüsselweite des Hexagons) der Struktur etwa gleich bleibt (in Fig.2 und Fig. 5 ergeben sich eine Materialkrümmung mit einem größeren Krümmungsradius, weil die strukturierte Materialbahn 2 in Fig. 2 und Fig. 5 bereits durch eine nachgeschaltete Richteinheit etwas plan "gezogen" wurde).The second image (bottom left) shows the three-dimensionally wavy
Das dritte Bild (oben rechts) zeigt eine dreidimensional wellenförmig strukturierte Materialbahn 2, die sich beim Strukturieren (ohne zusätzliche elastische Zwischenlage 5) an den Stützelementkern 3 mit breiteren Stützelementen 13 (analog zu Fig. 5) eng anschmiegt. Der Radius R2 des Stützelementkerns 3 in dem dritten Bild (ohne elastische Zwischenlage 5) ist gleich dem Radius R2 der "natürlich" gekrümmten Materialbahn 2 aus dem zweiten Bild (Fig. 15, unten links). Dabei bilden sich zwölf Strukturen auf dem Umfang des Stützelementkerns 3. Auf diese Weise wird der mechanische Umformvorgang beim dreidimensional wellenförmig Strukturieren (anstatt eines schmalen starren Stützelementes plus eingequetschtes Gummi als "gemeinsames" Stützelement wird ein breites starres Stützelement verwendet) nachempfunden.The third image (top right) shows a three-dimensionally wave-shaped
Das vierte Bild (unten rechts) zeigt eine dreidimensional wellenförmig strukturierte Materialbahn 2 an einem Stützelementkern 3 mit einer elastischen Zwischenlage 5. Auf dem Stützelementkern 3 sind sechs Strukturen (anstelle von acht Strukturen in den beiden Bildern in Fig. 15 mit den Stützelementkernen 3 und dem Radius R1) angeordnet, wobei der Radius R1 jeweils gleich ist. So erhalten die Strukturen der dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahn 2 im Bild unten rechts in Fig. 15 eine größere Schlüsselweite und zugleich größere Strukturtiefe als bei den beiden anderen Strukturvorrichtungen mit den Stützelementkern-Radien R1.The fourth image (bottom right) shows a three-dimensionally wave-shaped
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.The features of the invention disclosed in the foregoing description, in the claims and in the drawing may be of importance both individually and in any combination for the realization of the invention in its various embodiments.
Claims (28)
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