JP4153994B2 - 薄い材料シートの浮き出し構造化方法 - Google Patents

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は間隔をおいて配置された支持体上の曲がった材料シートに圧力をかける、浮き出し構造化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄壁材質面の構造化方法は、数多く知られている。これには三次元硬化を発生させる際の複雑な成形工具を利用した条溝のローラー押し込み、あるいは構造刻み込みのような、良く知られている変形方法がある。これらの機械的変形方法では、複雑で高価な成形工具を必要とし、構造化材料シートが強度に可塑性変形し、また原料表面材が、機械的平面加圧により損なわれるという不備が生じる。
【０００３】
欧州公開特許公報第０ ４４１ ６１８ Ａ１号には、機械成形工具(二つの型押しローラー)により、多面体構造を成形する構造化方法が記載されている。更に缶に軸方向の溝を刻み込むために、缶の内側を軸性の剛性エレメントで支え、弾性ローラーで外側に圧力をかける装置が知られている(ドイツ特許明細書ＤＥ３５ ８７ ７６８ Ｔ２号)。また別の申請(米国特許第４，５７６，６６９号明細書)では、プラスチックホイルを内部に小さな鉢のあるロール上に導き、真空によりその中へと引き込む方法が提示されている。しかしながらこの方法ではホイルの形剛度が改善されることはない。同様に丸い構造を形成し、その構造間に幅の広い変形していない部分面を残すプラスチックホイルをくぼます方法においても、ホイルの形剛度が著しく改善されることはない(フランス特許申請第１，２８３，５３０号)。
【０００４】
また薄い材料シートあるいはホイルを浮き出し状に構造化する方法も知られている。この方法では曲がった薄い材料シートあるいはホイルは、内側で線状の支持体で支えられ、外部から圧力がかけられる。外部からの圧力は油圧による。このようにして材料シートの形剛度を改善する位置をそれぞれずらした浮き出し構造が形成される(ドイツ開示書２５ ５７ ２１５号、ドイツ特許明細書ＤＥ ４３ １１ ９７８号）。この浮き出し構造化プロセスは、機械的に作用する二本の型押しローラーを必要とせず、材料シートが置かれ、この材料シートが油圧により加圧される支持核だけを必要とするという点において、前記欧州公開公報第０ ４４１ ６１８Ａ１号の場合とその原則において異る。多面の例として、六角形の構造形成はＰＣＴ／ＥＰ ９４／０１０４３として公開された国際特許出願に記載されている(第５Ｂ及び５ｃ図参照)。油圧による加圧の代わりに非構造化弾性クッションあるいは非構造化弾性プラスチックで加圧することもできる。材料シートが押しつけられる支持体は剛性のあるいは核上で位置をずらせる柔軟な材質から構成し得る。
【０００５】
前記欧州特許公報第０ ４４１ ６１８ Ａ１号に記載された純機械的成形方法は、強度の機械的変形により原料表面材が著しい損傷を受ける。ドイツ特許明細書ＤＥ ３５ ８７ ７６８ Ｔ２号に記載された縦条溝形成装置は、線状、軸性そして剛性の支持体と弾性圧力体を使用する。しかしながら軸性条溝を有するこのようにして構造化された材質の形剛性は、条溝が幾何的理由により多元性形剛性を生じないので満足のいくものではない。前記ドイツ開示書２５ ５７２１５号、ドイツ特許第ＤＥ ４３ １１ ９７８号及びＰＣＴ／ＥＰ ９４／０１０４３号に記載された変形方法は、位置をずらした浮き出し構造による条溝とは逆に、表面材に何の悪影響も及ぼすことなく多元性形剛性を生み出す。
【０００６】
本発明の課題はこれまで知られている方法の不備を甘受することなく、その利点を使用する方法を示すことにある。
これまで知られている浮き出し構造化方法の問題としては、深い浮き出し折り目域に構造化する工材の非常に強い局部的伸延及び圧縮ひずみが発生し、これによりこの域で材料を弱化させ、工材を裂く恐れのある著しい可塑性変形が生じることである。
【０００７】
これまで知られている薄い材料シートあるいはホイルの構造化方法の別の問題としては、形剛度改善に作用する折り目の自己形成が、いくつかの応用時には全く不可能、あるいは不十分になることである。浮き出し折り目の自己形成は、工材が自己の形剛性を改善するように、多次元に折り目をつけるプロセスとして理解されなければならない。この浮き出し構造の変形プロセスは、例えば、内部において間隔をもって配置された剛性支持リング、あるいはネジ状の剛性支持螺旋(ドイツ開示書第２５ ５７ ２１５号)により支えられる、曲がった薄壁の材料が、外部圧力により不安定となることにより生じる。この不安定性により、多次元の折り目が生じ、そしてこれにより位置をずらした四角形の浮き出し構造が形成される。このようにして薄壁の材料は、最も重要な特質が改善された形剛性となる新しい状態へと移る。この位置をずらした、四角形の浮き出し構造の問題点は、浮き出し折り目域に材料を弱める強い可塑性変形が生じる可能性があることである。剛性支持体の代わりに浮き出し構造化中に核上で軸方向に移ることのできる、例えばゴム性の柔軟性支持体を使用するならば、六角形の浮き出し構造が生じる。この六角形の浮き出し構造は、六角形の剛性支持体により形成することができる(ＰＣＴ／ＥＰ９４／０１０４３)。研究により六角形の浮き出し構造部においても、位置をずらした四角形の浮き出し構造と同様に、材料を弱める強い可塑性変形が生じ得ることがわかった。この四角形あるいは六角形の浮き出し構造は、更に、このようにして構造化された材料シートが、等方性形剛性を著しく損なうことなしに、円筒形状から平坦な形状に直すことが困難であるという問題点を有する。研究により材料シートの移動方向に配置された水平の浮き出し折り目は、非常な力をもってのみ平坦な形状に曲げることができることがわかった。材料シートの移動方向に対し横向きに配置されている浮き出し構造は、その際、同時に平らになり、また少し内側に曲がるために、この浮き出し構造は平坦な形状にすることにより、当初あった形剛性の一部を失う。材料シートの壁が厚ければ厚いほど、この問題は重大に作用し、この方法で構造化材料シートの等方性形剛性を得ることはできない。この理由によりこれまで知られている構造化方法は、四角形及び六角形の浮き出し構造と角を有するものに制限されている。この制限により、これまで浮き出し折り目の最適化構造が発見されることがなかった。この最適化は構造幾何及び折り目の幾何形自体にまで関連する。浮き出し構造、例としてその大きさと深さは、材料の厚みにおいて形剛性の増加を決定する。折り目の輪郭は、その発現にもかかわらず可塑性変形が最小になるような形を受容しなければならない。材料がこのような方法での自由な自己調整において変形する際に、この基準が達成されることが発見された。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明におけるこの問題の解決は、油圧あるいは弾性圧力を加えて材料シートを変形させる時に、巨視的な浮き出し構造が支持体により単に定められ、この支持体が構造化時にたわみ、構造折り目自体が支持体機能を引き継ぐ。そして浮き出し折り目及び浮き出しくぼみが自由な自己調整を経て、最小の可塑性変形で強い変形圧力に耐えられる最適な形をとることにより、浮き出し折り目の最適化された形を実現させることにある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
この方法の一態様は、曲がった薄い壁の材料シートあるいはホイルが、内側で渦巻き状のしなやかな支持螺旋で支えられ、外部から圧力がかけられることである。しなやかな支持螺旋は外部圧力において少し内側にたわみ、その際少しねじれ、これにより支持螺旋の直径が少し小さくなる。このような方法でまず、ほぼ四角形の浮き出し折り目が形成され、これがその後、最適な形に自由調整される。その際、当初弱く形成されたほぼ四角形の浮き出し折り目は、深さを増しながら、折り目同士が相互に支持し合うようになり、支持螺旋の支持作用を徐々に引き継ぐ。これに対して、しなやかな渦巻き形の支持螺旋は、外部圧力の増加に伴い内側にたわむゆえに、その支持作用は段々と弱まる。このようにして浮き出し折り目は、いわば自分で自由に自己形成することができ、自己形成の過程において、変形圧力に耐えるのに最適な形を取る。これは浮き出し構造の最適化された幾何配置ばかりでなく、個々の浮き出し折り目の外形、つまりその外部輪郭または丸みに対しても有効となる。
【００１０】
このようにして最適化された浮き出し折り目の幾何配置は、例として細い側が先端へと尖り、また縦側が丸くなった平行四辺形から生じた紋章形構造である。先端へと尖る浮き出し折り目は、内側から渦巻き状の支持螺旋により支えられている湾曲した材料シートに、支持螺旋の回転軸に平行に、つまり材料シートの移動方向に対して垂直な方向に短縮された自己形成された浮き出し折り目が最適な方法で生じたものである。移動方向における個々の浮き出し折り目の形成の最適化は、材料シートの移動方向において、丸くなった、例としてＳ形の浮き出し折り目だけが生じたこと、つまり大きな可塑性変形を有する浮き出し座屈が発生しなかったことによって理解できる。浮き出し折り目の相互集中域では、柔らかな屈曲半径を有し、ほぼ平坦になった折り目鞍状部が形成される。このようにして工材の大きな可塑性変形の原因となる多軸性の屈曲折り目が防止される。
【００１１】
材料シートの移動方向での浮き出し折り目が丸くなり、それゆえに変形しやすくなるために、この浮き出し折り目はわずかな力の消費と、工材の最小限の可塑性変形によって平らな形に曲げることができる。また、支持螺旋の回転軸に平行に、つまり材料シートの移動方向に垂直方向の浮き出し折り目が短くなる。この結果、このように構造化された材料シートは、等方性の形剛性を保持しながら簡単に平らな形状に直せる。また最小限の可塑性変形によって材料シートの高度な形剛性を得ることができる。それゆえにこのような方法で壁の厚い材料シートも構造化でき、平らな形状に直すことができる。
【００１２】
しかしながらこのようにして形成された、ほぼ紋章形の浮き出し折り目は、依然として正確に一様な形を有していない。この原因としては特に、工材の避けることのできない不均質性、原工材の壁厚み公差及び材料シートにかかる圧力が一様でないことを挙げることができる。従って、本発明の更なる態様は、最適な浮き出し構造の形成のためにできる限り有利な前提条件を作ることである。これは自由調整における最適な折り目をまず決定し、その後に形成される浮き出し構造、特に折り目の輪郭が自己形成された幾何にできるだけ相当するものになるよう、支持体を形成することにより達成できる。
【００１３】
このようにして最適化された支持体の本質的特徴は、横方向の支持体が、例えばＳ形のような丸みを有すること、及び、その支持体上に存在する、多数の支持体が相互に集中する域が、平坦なあるいは単にほんの少しだけ反りのついた輪郭になることである。その際、横方向の支持体の、前記Ｓ形のような丸みの、個々の半径は規定されない。その結果、原材料のわずかな可塑性変形において高度な形剛性を示す、多様な紋章形の浮き出し構造が形成される。材料シート移動方向に垂直に短縮された浮き出し折り目も、同様にわずかに可塑性変形するだけであり、それゆえにその支持体は丸くなった輪郭を保持する。
【００１４】
このような最適化された支持体の幾何寸法は、方程式（１）により近似計算できる。この方程式（１）は実験的にほぼ四角形の浮き出し構造の自己形成用に開発された(ドイツ開示書第２５５７ ２１５号)ものであり、ほぼ紋章形の浮き出し構造にも近似的に応用できる。

方程式（１）において
ｎは支持体１回転に対する材料シートの、移動方向における浮き出し構造数
Ｄは支持体の直径（単位ｍｍ）
ｈは横方向の支持体間の中間間隔（単位ｍｍ）、及び
ｓは材料シートの厚み（単位ｍｍ）
をそれぞれ意味する。
【００１５】
支持体円周上の浮き出し数ｎに関する幾何関係式（２）により、ほぼ正方形(ｈ＝ｂ)の場合の浮き出し構造値の関連式（３）が得られる。

【００１６】
ほぼ正方形の浮き出し構造に有効なこの方程式（３）は、近似的にほぼ紋章形の浮き出し構造にも応用でき、その際、横方向の支持体間の中間間隔ｈ（ｍｍ）が選択される。ほぼ紋章形の浮き出し構造用のこの方程式（３）は、単に近似を示すので、方程式（３）による基準値から少し逸脱してもよい。
【００１７】
方程式（１）、（２）及び（３）から導かれるものは、例として：構造化材料シートの壁の厚みｓが大きければ大きいほど、支持体間の間隔ｈはより大きくなり、支持体の直径Ｄはより大きなものを選択しなければならない。それゆえに壁厚みｓが大きい材料シートは、壁の薄い材料シートよりもより大きな浮き出し構造となる。
【００１８】
本発明の方法は、工材の少ない可塑性変形で、構造化材料シートの高度な形剛性を保証する。構造化材料シートに依然として存在する可塑性は、二次的な変形プロセスに利用できる。本発明の方法の更なる態様は、形剛性を更に改善するために構造化された材料シートが有する、まだ利用し尽くされていない可塑性の利用である。これは本発明に基づく方法において、例えば、弾性あるいは油圧クッションを材料シートと支持体に対して押しつけることにより前記の浮き出しプロセスを開始させ、その後クッションを、浮き出しくぼみ域に工材の事後伸延が生じるように、材料シートに対しより強い圧力で押しつけることにより達成される。同時に材料シートと支持体との間の摩擦作用により、材料シートが支持体域内で裂けないように、浮き出しくぼみ方向への材料シートの流れが中断、あるいは制限される。この摩擦作用は、伸開線を浮き出しくぼみ方向に支持体に幾何適合させることにより得ることができる。支持体輪郭の幾何様式においては、特に壁の厚みと、変形する材料シートの材質に依存する最小屈曲半径を考慮する。
【００１９】
本発明を、以下、例に基づき説明する。
図１は、上部に支持体が置かれているローラーと柔軟な圧力ローラーを有する浮き出し構造化材料シート、及び／又は、ホイル製造装置の、半径方向の断面図である。
図２は、弾性、単ねじ山でネジ状の支持螺旋を有する装置により製造された、二つの浮き出し構造の俯瞰図である。
図３は、弾性、複ねじ山でネジ状の支持螺旋を有する装置により製造された、一つの浮き出し構造の俯瞰図である。
図４は、紋章形の剛性支持体を有する装置により製造された、一つの浮き出し構造の俯瞰図である。
図５は、紋章形の浮き出し構造化材料シート製造用支持体の俯瞰図、及び、四つの支持体の断面図である。
図６は、工材の事後伸延を有する紋章形浮き出し構造化材料シート製造用の、剛性支持体の構造の例である。
図７は、紋章形浮き出し構造化缶製造用の支持体及び柔軟性圧力ローラーを有するローラーを用いた、本発明の方法を応用した装置の構造の例である。
図８は、紋章形浮き出し構造化缶製造用の支持体と、凹形の柔軟性圧力クッションを有するローラーの、本発明の方法を応用した装置の構造の例である。
図９は、紋章形浮き出し構造化缶の側面図である。
【００２０】
図１は浮き出し構造化材料シートあるいはホイル製造のための本発明の方法を用いた応用装置の原則的構造を示す。材料シート１は、上に支持体３が置かれるローラー２の周囲に導かれ、柔軟性圧力ローラー４に圧力を加え、押しつけることにより曲げられる。これにより材料シート内に浮き出し構造が生じる。
【００２１】
図２及び図３は、展開された浮き出し構造化材料シートの俯瞰図である。
図２及び図３は、浮き出し折り目の自己形成により調整された浮き出し折り目の構造を示す。これは、例えば、剛性のネジ状螺旋の代わりに、圧力方向にたわむしなやかなネジ状螺旋を支持体として使用することにより生じる。材料シートの移動方向に対して垂直な方向に、先端へと尖る浮き出し折り目、及び、材料シートの移動方向に対して横向きの、ほぼＳ形の浮き出し折り目を有する紋章形の構造が、自由調整によって生じる。移動方向は図２の俯瞰図では紙面の縦方向となる。図２では、単ねじ山のネジ状支持螺旋が使用されている。図２では、例えば、横及び先端が異なる浮き出し構造を有する二つの紋章形の構造が示される。浮き出し折り目の横方向においては、相互に中間間隔ｈを示し、材料シートの移動方向に対して垂直方向の浮き出し折り目は、相互に中間間隔ｂを示す。図３では、複ねじ山のネジ状支持螺旋が使用されている。この方法により、浮き出し構造と材料シートの移動方向との間の角度を調整できる。なぜならば、形剛性の方向依存性により、浮き出し構造は、移動方向、あるいは材料シートの移動方向に対して垂直に配置された支持体によってではなく、移動方向に対して調整可能な角度に配置された支持体によって製造される方が有利となるからである。
【００２２】
図４は、紋章形で剛性の支持体を有する装置により製造される、浮き出し構造の俯瞰図である。この剛性支持体の外形及び輪郭は自己形成により調整される紋章形の浮き出し折り目にほぼ相当する。丸くなった、例としてＳ形の支持体の半径は個々に規定されていないので、紋章形の浮き出し構造は非常に大きな変動幅を有する。
【００２３】
図５は、紋章形の浮き出し構造化材料シート製造用の支持体の俯瞰図及び４つの横断面における構造図を示す。俯瞰図においては、支持体の領域は横断面における支持体輪郭が示されている切断線で記載されている。１．．．．１の印は、横向きのほぼＳ形の浮き出し折り目領域の支持体の横断面を示す。支持体の、丸くなった輪郭のデザインについては、変形する材料シートの最小屈曲半径を考慮しなければならない。２．．．．２の印は材料シートの移動方向に垂直な方向の、浮き出し折り目領域内の支持体横断面を示す。この支持体の輪郭も同様に丸くなっている。３．．．．３及び４．．．．４の印は、多数の支持体が集中することによって丸くなった鞍状部の、２つの横断面の例を示す。俯瞰図における支持体は先端へと尖る形となっているにもかかわらず、この鞍状部は横断面において、このように柔らかく丸くなった輪郭をしめす。
【００２４】
図６は、形剛性を更に改善するために、材料シートの事後伸延を有する紋章形の浮き出し構造化材料シート作成用の剛性支持体の拡大横断面における構造図を示す。弾性又は油圧クッション５が材料シート１及び支持体３に押しつけられることにより、浮き出しプロセスを生じさせる。材料シート６の浮き出しくぼみが最初は自由に形成され、可塑性を充分に保持する。その後、クッション５をより強い圧力で材料シートに押しつけると、材料シートの浮き出しくぼみ７域において事後伸延が生じる。材料シート１と支持体３間の摩擦作用により、浮き出しくぼみ方向への材料シート１の流れが中断あるいは制限され、これにより、支持体３の上部の丸くなった輪郭域内で材料シート１が裂けることはない。この摩擦作用は、伸開線８を支持体３に幾何的に適合させることにより得ることができる。
【００２５】
図７は、本発明を応用した、支持体ローラー１０と柔軟性圧力ローラー１１（横断面と縦断面内）からなる、構造化缶９を製造する装置の原理構造を示す。缶の直径より小さい支持体ローラー１０が缶内部を、そして圧力ローラー１１は外部を走り、これにより上記の浮き出しが生じる。
【００２６】
図８は、本発明の更なる応用に基づく構造化缶製造用の装置の原理構造を示す。缶胴体に密着し、缶胴体及び支持体ローラー１４に対する一様な圧力を保証する凹形の柔軟性クッション１２が、柔軟性圧力ローラーの代わりに缶胴体１３に対し押しつけられる。
【００２７】
図９は、軸方向において先端へと尖る、紋章形の浮き出し折り目を有する構造化缶の側面図を示す。
本発明の浮き出し構造化の利点は、回転方向（異方性である）に、増大した形剛性を有すると共に、全方向（等方性質）に一様な形剛性を有する缶が提供されることである。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の浮き出し構造化方法に用いられる、浮き出し構造化材料シート、及び／又は、ホイル製造装置の、半径方向の構造図。
【図２】弾性、単ねじ山でネジ状の支持螺旋を有する装置により製造された、二つの浮き出し構造の俯瞰図。
【図３】弾性、複ねじ山でネジ状の支持螺旋を有する装置により製造された、浮き出し構造の俯瞰図。
【図４】紋章形の剛性支持体を有する装置により製造された、浮き出し構造の俯瞰図。
【図５】紋章形の浮き出し構造化材料シート製造用支持体の俯瞰図、及び、四つの支持体の断面図。
【図６】工材の事後伸延を有する紋章形浮き出し構造化材料シート製造用の剛性支持体の構造図。
【図７】本発明の方法を応用した、紋章形浮き出し構造化缶製造用の装置の構造図。
【図８】紋章形浮き出し構造化缶製造用の支持体と凹形の柔軟性圧力クッションを有するローラーの本発明に基づく方法応用装置の構造図。
【図９】紋章形浮き出し構造化缶の側面図。
【符号の説明】
【００２９】
１ 材料シート
２ ローラー
３ 支持体
４ 柔軟性圧力ローラー
５ 油圧クッション
６ 材料シート
７ 浮き出しくぼみ
８ 伸開線
９ 構造化缶
１０ 支持ローラー
１１ 圧力ローラー
１２ 凹形クッション
１３ 缶
１４ 支持ローラー

Claims (6)

1. 屈曲した材料シートが、間隔をおいて相互に配置された支持体上で支えられると共に、前記材料シートに、前記支持体の向かい側から空気、油圧又は弾性プラスチックにより変形圧力が加えられ、該変形圧力によって支持体が変形圧力の方向にたわむことにより浮き出し折り目が自己形成される浮き出し構造化方法であって、前記支持体がたわむことにより自己形成される前記浮き出し折り目が、最小の可塑性変形によって変形圧力に耐える、角のない形状であることを特徴とする浮き出し構造化方法。
2. 前記浮き出し折り目が相互に支え合う折り目である、請求項１に記載された浮き出し構造化方法。
3. 前記角のない形状が、紋章形あるいはしずく状形の浮き出し構造である請求項１又は２に記載された浮き出し構造化方法。
4. 前記材料シートの自己形成によって調整される浮き出し折り目の寸法が計算によって決定されたものであると共に、支持体が、前記決定された浮き出し折り目の寸法に適合されたものである、請求項１〜３のいずれかに記載された浮き出し構造化方法。
5. 前記浮き出し折り目を生じさせる初期変形圧力と、事後伸延を生じさせる強化された二段目の変形圧力をかける浮き出し構造化方法であって、前記事後伸延において材料シートと支持体間に摩擦が存在する、請求項１〜４のいずれかに記載された浮き出し構造化方法。
6. 前記変形圧力を生じさせるために、柔軟性圧力ローラーあるいは凹形クッションを使用する、請求項１〜５のいずれかに記載された浮き出し構造化方法。

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