WO2008062263A1 - Bauteil aus einem flachmaterial und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Bauteil aus einem flachmaterial und verfahren zu seiner herstellung Download PDF

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WO2008062263A1
WO2008062263A1 PCT/IB2007/002948 IB2007002948W WO2008062263A1 WO 2008062263 A1 WO2008062263 A1 WO 2008062263A1 IB 2007002948 W IB2007002948 W IB 2007002948W WO 2008062263 A1 WO2008062263 A1 WO 2008062263A1
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flat material
deformation structure
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deformation
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Jochen Ellert
Arno Behrens
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Jochen Ellert
Arno Behrens
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    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D13/00—Corrugating sheet metal, rods or profiles; Bending sheet metal, rods or profiles into wave form
    • B21D13/10—Corrugating sheet metal, rods or profiles; Bending sheet metal, rods or profiles into wave form into a peculiar profiling shape
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
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    • B21D13/02—Corrugating sheet metal, rods or profiles; Bending sheet metal, rods or profiles into wave form by pressing
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    • E04—BUILDING
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    • 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
    • E04C2/324—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 incisions or reliefs in the surface

Definitions

  • the invention relates to a component made of a flat material with an imaginary central surface lying between two main surfaces parallel to one another, wherein the flat material is provided either completely or partially with a regular deformation structure which extends in the manner of a pressing partially perpendicular to the central surface.
  • the deformation structure is introduced in the main shape direction perpendicular to the central surface and will generally have the characteristic Beulmuster parabolic see-wells with respect to the central surface, while the Beulr selected at least partially with respect to the central surface have a directed against the main shape, grandeur.
  • a disadvantage of the known components is that their increase in rigidity soon reaches their limits. Therefore, this invention is based on the object, a component of the type mentioned in such a way that it has a greater rigidity.
  • this method can be integrated as a secondary feature in deep drawing or stretching operations known per se, etc., and allows flat edge zones adjacent to the structural form field. It also makes possible a subsequent, possibly partial, further deformation of pre-formed components.
  • the determination of the optimal cell size according to the invention is carried out according to the principle of minimal energy consumption for buckling and can be carried out on the basis of finite element analyzes.
  • the tool for a structural shape field can be constructed from modules which enable a flexibilization of the assembly, a reduction of the production costs and improvement of the maintenance.
  • the invention further provides a method for producing such a component, which has the features of claim 6.
  • the pressing force for generating the bumps and the grandeur of the Beulrandzonen on elastic active media (or the like) is applied to the component.
  • the targeted generation of local instabilities also causes the bumps to suddenly jump into the cavities of the tool and shape their geometry independently (freely) and paraboloidally, so that not, as with a stamping Operation, the bulges are formed in a correspondingly shaped cavity of the counter tool.
  • Fig. 1c is a section along the line A-A of Fig. 1b.
  • FIG. 1d a detail B of FIG. 1c on a larger scale of a component according to the invention
  • FIG. 2a is a perspective view of three cells on a component according to the invention in an enlarged compared to FIG. 1a representation, to which the
  • Fig. 2b provides a schematic view in which dished, higher Zeilbiegers dashed, whereas straight, lower Zeilbiegers are shown with solid lines; based on
  • Fig. 3a to 3c is to be explained on the basis of sectional views of the procedure according to the prior art and the inventive method, wherein Fig. 3a shows the undeformed flat material, Fig. 3b shows a cell-like deformation structure according to the prior art, and Fig. 3c illustrate a deformation structure prepared according to the invention;
  • Fig. 4 shows a possible type of press frame usable in the invention for incorporation of the structure field
  • Fig. 5 shows schematically the process of a deep drawing main molding for the component with a simultaneous structural deformation in the region of the deep drawing tray;
  • Fig. 6 shows, on the basis of a slightly curved shape field structure, the pressing arrangement with an over an elastomeric plate pressure application and one with incorporated cavities according to the structure to be produced provided tool floor (the arrangement can also be reversed);
  • Fig. 7a illustrates an isometric view of a modular corner region structure of a form field structure tool, which can be integrated as a minor feature in preferably used deep drawing or ironing tools, including
  • Fig. 7c is a plan view
  • Fig. 7d illustrates a side view from above.
  • a produced deep-drawn component 1 (FIG. 1 a) has a smooth flange 2, while a structural field 4 itself, including the elevations of cell bending edges 14, is introduced into the flat material (sheet metal or plastic) in the form of a slightly raised side-molding element 3 during a deep-drawing operation.
  • the deformation structure 4 preferably has the form of a periodic lattice of cells, for example hexagonal cells 5, arranged next to one another.
  • hexagonal cells are by no means limited thereto. Because it is quite possible within the scope of the invention to provide instead of a continuous grid also on the deep-drawn bottom surface of the component 1 distributed individual, in particular cell-like deformations, although it is of course clear that in the illustrated complete grid, the stiffening effect is greater. Also, cells do not have to be hexagonal, but can also be triangles, rectangles, double trapezoids, rhomboids, and rhomboid, octagonal, with two opposite ones
  • thermoforming tray contains the three-dimensional deformation structure 4, the material (sheet metal, it can also be plastics) remains in the thermoforming chamber.
  • Flange 2 due to the action of the tool holder) its flat shape.
  • the built in the segments of the deep drawing tool sublimities lead to an increase in the Zeilbieger section 14th
  • FIG. 2a and b three of the hexagonal cells 5 are shown contiguous and enlarged.
  • the arrangement of the hexagonal cells is expedient, as is known from honeycombs, because usually the largest stiffening is achieved.
  • the special feature of this embodiment is the structure of the individual cells. If, for example, a longitudinally oriented sheet metal workpiece, so usually the dia- gulalen Beulbegrenzungsstege in the longitudinal direction, the transverse webs are oriented at right angles to the longitudinal axis.
  • the diagonal boundary webs or band bending edges 14 are provided with overhangs directed in the main shaping direction, ie with respect to the central surface 8 plus the proportionate material thickness 12 (FIG 2b), while the transverse webs 15 are lower and have no elevations (Fig. 2b), ie with the main surface 7 of the flat material complete.
  • the excessive diagonal cell boundary webs thus form a line 16, namely a zigzag line, which extends over the entire structured field surface area of the workpiece 4 and can also be seen already in FIG.
  • the arrangement of these webs is arbitrary, preferably in line form, but produces the greatest effect in the zig-zag arrangement.
  • FIG. 3 a shows the position of the main surfaces 7, 9 of the flat material before the deformation, wherein the flat material has a central surface 8 and a material thickness 12.
  • FIG. 3 b shows a deformation structure with a cell 5 in a flat material, which has the central area or center plane 8.
  • the cell-like recess 5 is now designed so that the flat material from the central surface 8 in a single direction to form a cell recess 10 is arcuate.
  • This recess 10 has a width 6 and a height 13. Its tangent forms the central surface 8 a relatively shallow angle ⁇ , so that the recess 10 can be relatively easily compressed upon exertion of pressure on them.
  • the shape according to the invention according to FIG. 3c (where the flat material likewise has an upper and a lower main surface 7, 9) is compared with the shape according to the invention in FIG. cut expediently parabolic depression 10, it can be seen that the cell 5 has a relation to the central surface 8 outgoing raised Zeilbiegerand 14 (plus the proportionate material thickness 12), which has a height (11) at the maximum in the middle of the diagonal webs. Due to the longer formation of the cell 5 and its recess 10 delimiting wall results here (compared to the Fig. 3b) steeper tangent that extends at an angle ß to the central surface 8, and therefore also causes a stronger resistance to pressure.
  • the production of a locally limited deformation structure can be carried out in any desired manner, even by the rolling process known from DE-A1-197 50 576, but for the production of which the rolls must always be separated from one another. Moreover, because of the resulting sheet curvature, then a straightening process is required for straightening, with some of the stiffness gain being lost again. Furthermore, the rolling process limits a regularly paraboloidal buckling formation, which is advantageous for the purposes of this invention.
  • a C-press frame 21 in FIG. 4, by means of which the deformation structure according to the invention can be pressed into flat materials, is shown by way of example for a press operation applied with advantage according to the invention.
  • This press has a lower part 25 on which a structural tool 24 is fixed in a known manner.
  • a plate 23 of resilient, suitably elastic material of certain hardness is lowered onto the structural tool 24 to press the inserted between the tool and the plate 23 flat material with the main surface 9 against the structural tool 24.
  • the elastomer plate 23 is held by a pressure plate carrier 22 on the C-frame 21 and acts on the main surface. 7
  • the method can also be applied in multi-acting pressing systems.
  • deep-drawing and stretch-drawing tool systems may be mentioned in which the structuring tool is integrated so that, in addition to the main shaping of the sheet, complete or partial structuring in the form according to the invention can be integrated.
  • Fig. 5 illustrates such a deep-drawing process, in which deep-drawn and structured in the same operation. Shown is a pressure plate 23 which is fixed in a die 26. In the main shaping can be done so the pulling of the component. Position 3 shows the drawing bowl and position 2 the drawing flange.
  • FIG. 6 illustrates that the individual plates 23 and structural tools 24 do not always have to be completely flat, but that even slightly curved flat materials can be provided with structuring in the manner shown. Under certain circumstances, however, the structuring tool can not be constructed from modular individual elements. Such a curved structure can not be produced by the roll patterning method.
  • the corner region of the structural tool 24 is illustrated with reference to FIGS. 7a to 7d.
  • the hexagonal shape according to Fig. 1a resulting, "single” modules attached, for example, screwed so that the modules are interchangeable, if required by wear or as a result of a transformation of the deformation structure.
  • These individual modules comprise once such modules 17, which form the arcuate elevations of the edge zones of the bulge pattern, and those modules 18, which form the not exaggerated edge zones of the bulge pattern. But it is also possible to dispense with the individual modules and provide modules that include a whole Beulzelle. In addition, the entire structural shape field can be worked out of the full tool material. All modules are advantageously mounted by means of clamping plates (in plan view below) via mounting holes. 19 fastened on the tool base plate 20. In the plan view above, this clamping plate has been omitted for illustration.
  • any other shape can be selected, for example, a double bow od.
  • the arches of the bulge edges can also be directed inward, that is approximately concave, but this is not preferable.
  • Bows may also be provided at the lower bowing edges of the tool 18, as long as their upper edge does not extend beyond the major surface 7, relative to the material being deformed. Such sheets may preferably be concave.
  • the cell recess 10 may also have a flattening or upward pointing (counterbump).
  • the method of which a preferred embodiment has been described may be modified in a variety of ways.
  • the position of the plates 23, 24 can be exchanged, so that approximately the plate 24 is at the top.
  • a non-compliant die plate with negative engraving to the plate 24 may also be used, but this is generally not cost effective.
  • components provided with this mold structure can be further deformed by utilizing the special geometry shape, which can further increase the stiffening effect.
  • a particular variant of the invention may be that failure initiation sites are introduced into a component by the mold structure according to the invention, for example, to allow a component to buckle at a certain load, for example in order to enable energy absorption in the event of a strong pulse-like load.
  • Another special feature of the invention may be that a component after the main shaping, even after assembly, with appropriate tools (also pliers) can be provided with the inventive shape structure or with individual bumps.

Abstract

Ein Bauteil (1) besteht aus einem Flachmaterial mit einer zwischen zwei zueinander parallelen Hauptflächen (7, 9) gelegenen Mittelfläche (8). Das Flachmaterial ist mit einer Verformungsstruktur (4) versehen, die sich nach Art einer Pressung teilweise senkrecht zur Mittelfläche (8) erstreckt. Dabei ist nur wenigstens ein, gegebenenfalls auch mehrere, Teilbereich(e) (5) des Flachmaterials mit der Verformungsstruktur (4) versehen, wogegen daneben wenigstens ein Flächenbereich des Flachmateriales unverformt bleibt. Die Verformungsstruktur (4) besteht aus einem Gitter aneinandergrenzender Zellen (5), die jeweils durch sich quer zur Mittelfläche (8) erstreckenden Zellbiegerändern (14, 15) unterschiedlicher Höhe begrenzt sind. Jede Zelle (5) weist von den relativ höheren (14) und niedrigeren Zellbiegerändern (15) begrenzte Vertiefungen (10) auf, wovon sich im Wesentlichen die niedrigeren Zellbiegeränder (15) bis maximal zur Höhe einer Hauptfläche (7) erstrecken, während die höheren Zellbiegeränder (14) bis zur Höhe (11) und die Vertiefung (10) bis zur Höhe (13) ausdehnen. Dabei erfolgt die Druckaufbringung vorzugsweise hauptsächlich über elastomere Wirkmedien, wobei zur Struktureinbringung ein beispielsweise aus modularen Einzelelementen aufgebautes Werkzeug zum Einsatz kommt.

Description

BAUTEIL AUS EINEM FLACHMATERIAL UND VERFAHREN ZU SEINER
HERSTELLUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Bauteil aus einem Flachmaterial mit einer zwischen zwei zueinander parallelen Hauptflächen gelegenen gedachten Mittelfläche, wobei das Flachmaterial entweder vollständig oder partiell mit einer regelmäßigen Verformungsstruktur versehen ist, die sich nach Art einer Pressung teilweise senkrecht zur Mittelfläche erstreckt. Derart ist die Verformungsstruktur in Hauptformrichtung senkrecht zur Mittelfläche eingebracht und wird im allgemeinen die für Beulmuster charakteristischen paraboli- sehen Vertiefungen gegenüber der Mittelfläche aufweisen, während die Beulränder zumindest teilweise gegenüber der Mittelfläche eine, gegen die Hauptformrichtung gerichtete, Erhabenheit besitzen.
Hintergrund der Erfindung Bauteile dieser Art sind beispielsweise aus der DE-C2-100 06 348 oder der DE-A1 -197 50 576 bekannt, wobei Letzteres ein Verfahren zur Herstellung von Beulstrukturen im Walzprozess beschreibt. Nach der DE-C2 dient die Verformungsstruktur im Wesentlichen zur Erhöhung der Steifigkeit des Flachmaterials, wobei jedoch dort die versteifende Wirkung durch konzentrische, im Tiefpunkt der Beule eingebrachte Gegenbeulen vermindert wird. Auch bei DE-297 12 622 U1 dient die Strukturierung der Versteifung des Flachmaterials. Eine derartige Steifigkeitserhöhung ist nach der DE-A1-197 50 576 vor allem für den Fahrzeugbau, aber prinzipiell auch für alle flächigen Bauteile, von Interesse.
Nachteilig an den bekannten Bauteilen ist, dass ihre Steifigkeitserhöhung bald an Gren- zen stößt. Daher liegt dieser Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Bauteil der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass es eine größere Steifigkeit aufweist.
Kurzfassung der Erfindung
Erfindungsgemäß erfolgt dies durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1. Dadurch ergibt sich eine Struktur, die nicht nur in Pressrichtung beulenartig ausgeführt ist, sondern auch entgegen der Pressrichtung gegenüber der Mittelfläche zumindest teilweise eine Erhabenheit in den Beulrändern aufweist. Beide Verformungen, also die Beule in Kombination mit der Erhabenheit der Randzonen, ergeben einen höheren Widerstand gegenüber aufgebrachten Biegebeanspruchungen. Durch diese Kombination von Beulversteifung und der teilweisen Erhabenheit der Beulränder wird zudem die lokale Streckung des Flachmaterials im Bereich einer zu erzeugenden Beule erhöht, wodurch ein zusätzlicher Versteifungseffekt hervorgerufen wird.
Zudem ist für dieses Verfahren charakteristisch, dass durch die Erhabenheit des Beulrandes unter der Druckwirkung eine Streckung und leichte Biegung im Beulbereich erzeugt wird, was die lokale Instabilität erhöht und dazu führt, dass die Beulen bereits unter einer sehr geringen Druckwirkung mehr oder weniger spontan einspringen. Dieses reduziert im Vergleich zu Prägeverfahren die zur Strukturierung erforderlichen Presskräfte erheblich.
Weiterhin ist dieses Verfahren als Nebenformelement in an sich bekannten Tief- oder Streckziehoperationen usw. integrierbar und ermöglicht an das Strukturformfeld angrenzende, ebene Randzonen. Auch ermöglicht es ein nachträgliches, gegebenenfalls partielles, Weiterverformen von vorverformten Bauteilen. Die Bestimmung der erfindungsgemäßen optimalen Zellgröße erfolgt nach dem Prinzip des minimalen Energieaufwandes zur Beulenzeuguήg und kann auf Grundlage von Finite-Elemente-Analysen vorgenommen werden.
Flachmaterialien mit dieser Struktur haben darüber hinaus einen günstigeren Einfluss auf das Schwingungs- und Anströmverhalten, z.B. bei Lüftungskanälen.
Das Werkzeug für ein Strukturformfeld kann im Rahmen der Erfindung aus Modulen aufgebaut werden, die eine Flexibilisierung der Montage, eine Verringerung der Fertigungsaufwendungen und Verbesserung der Instandhaltung ermöglichen.
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bautei- les, welches die Merkmale des Anspruches 6 aufweist.
Dabei kann im Rahmen der Erfindung die Presskraft zur Erzeugung der Beulen sowie der Erhabenheit der Beulrandzonen über elastische Wirkmedien (oder ähnliches) auf das Bauteil aufgebracht wird. Die gezielte Erzeugung lokaler Instabilitäten bewirkt zudem, dass die Beulen schlagartig in die Kavitäten des Werkzeuges einspringen und ihre Geometrie eigenständig (frei) und paraboloid ausformen, so dass nicht, wie bei einem Präge- Vorgang, die Beulen in eine entsprechend geformte Kavität des Gegenwerkzeuges eingeformt werden.
Kurzbeschreibunq der Zeichnungen Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich an Hand der nachfolgenden Beschreibung von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
Fig. 1a eine Perspektivansicht,
Fig. 1b eine Draufsicht,
Fig. 1c einen Schnitt nach der Linie A-A der Fig. 1b, und
Fig. 1d ein Detail B der Fig. 1c in größerem Maßstab eines erfindungsgemäßen Bautei- les;
Fig. 2a eine Perspektivansicht dreier Zellen an einem erfindungsgemäßen Bauteil in einer gegenüber Fig. 1a vergrößerten Darstellung, zu der die
Fig. 2b eine schematisierte Ansicht liefert, in welcher gewölbte, höhere Zeilbiegeränder strichliert, dagegen gerade, niedrigere Zeilbiegeränder mit vollen Linien dargestellt sind; an Hand der
Fig. 3a bis 3c soll an Hand von Schnittdarstellungen die Vorgangsweise nach dem Stande der Technik und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert werden, wobei Fig. 3a das unverformte Flachmaterial zeigt, Fig. 3b eine zellenartige Verformungsstruktur nach dem Stande der Technik, und Fig. 3c eine erfindungsgemäß hergestellte Verformungsstruktur veranschaulichen;
Fig. 4 zeigt einen möglichen Typ des im Rahmen der Erfindung verwendbaren Pressengestells zur Einbringung des Strukturfeldes;
Fig. 5 zeigt schematisch den Vorgang einer Tiefzieh-Hauptformgebung für das Bauteil mit einer gleichzeitigen Strukturverformung im Bereich des Tiefziehbodens;
Fig. 6 zeigt, an Hand einer leicht gekrümmten Formfeldstruktur, die Pressanordnung mit einer über eine Elastomerplatte erfolgende Druckaufbringung und einem mit eingearbeiteten Kavitäten gemäß der zu erzeugenden Struktur versehenen Werkzeug boden (die Anordnung kann auch umgekehrt werden);
Fig. 7a stellt eine isometrische Ansicht eines modularen Eckbereichs-Aufbaues eines Formfeldstrukturwerkzeuges dar, welcher als Nebenformelement in bevorzugt verwendeten Tief- oder Streckziehwerkzeugen integrierbar ist, wozu
Fig. 7b eine Seitenansicht von links,
Fig. 7c eine Draufsicht, und
Fig. 7d eine Seitenansicht von oben veranschaulicht.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Ein erzeugtes tiefgezogenes Bauteil 1 (Fig. 1a) besitzt einen glatten Flansch 2, während ein Strukturfeld 4 selbst, einschließlich der Erhebungen von Zeilbiegerändern 14, im Rahmen einer Tiefziehoperation in das Flachmaterial (Blech oder Kunststoff) als leicht erhabenes Nebenformelement 3 eingebracht wird. Die Verformungsstruktur 4 besitzt vorzugsweise die Form eines periodischen Gitters aneinander gereihter, beispielsweise hexagonaler, Zellen 5.
Hier sei gleich angemerkt, dass die Anordnung hexagonaler Zellen zwar bevorzugt ist, dass sich jedoch die Erfindung keineswegs darauf beschränkt. Denn es ist im Rahmen der Erfindung durchaus möglich, an Stelle eines zusammenhängenden Gitters auch über die tiefgezogene Bodenfläche des Bauteiles 1 verteilte einzelne, insbesondere zellenartige Verformungen vorzusehen, obwohl es natürlich klar ist, dass bei dem dargestellten vollständigen Gitter der Versteifungseffekt größer ist. Auch müssen Zellen gar nicht hexagonal sein, sondern können auch aus Dreiecken, Rechtecken, Doppeltrapezen, Rauten sowie aus rhomboiden, achteckigen, mit zwei einander gegenüberliegenden
Stegen gestreckte (also asymmetrische) Sechsecke etc. bestehen, und dies mit geraden oder geschwungenen Beulrändern, die die Vertiefungen umranden. Dabei können sich mit geschwungenen Stegen auch ästhetisch ansprechende Musterungen erzielen lassen. Auch Kombinationen mit unterschiedlich geformten Zellen oder Beulränder sind möglich.
Während also, wie ersichtlich, der Tiefziehboden die dreidimensionale Verformungsstruktur 4 enthält, behält das Material (Blech, es können auch Kunststoffe sein) im Tiefzieh- flansch 2 (bedingt durch die Wirkung des Werkzeugniederhalters) seine ebene Form. Andererseits führen die in den Segmenten des Tiefziehwerkzeuges eingearbeitete Erhabenheiten zu einer Überhöhung der Zeilbiegeränder 14.
In Fig. 2a und b sind drei der hexagonalen Zellen 5 zusammenhängend und vergrößert dargestellt. Die Anordnung der hexagonalen Zellen ist dabei zweckmäßig so, wie man das auch von Bienenwaben her kennt, denn so wird üblicherweise die größte Versteifung erreicht. Das Besondere dieser Ausführungsform ist aber der Aufbau der Einzelzellen. Liegt z.B. ein längsorientiertes Blechwerkstück vor, so werden üblicherweise die dia- gonalen Beulbegrenzungsstege in Längsrichtung, die Querstege rechtwinklig zur Längsachse orientiert. Die besondere Gestaltung der in den Fig. 2a, 2b dargestellten Zelle 5 besteht nun darin, dass die diagonalen Begrenzungsstege bzw. Zeilbiegeränder 14 mit der Hauptformrichtung entgegen gerichteten Überbögen versehen sind, also gegenüber der Mittelfläche 8 zuzüglich der anteiligen Materialdicke 12 eine Erhabenheit aufweisen (Fig. 2b), während die Querstege 15 niedriger sind und keine Überhöhungen aufweisen (Fig. 2b), also mit der Hauptfläche 7 des Flachmateriales abschließen. Die überhöhten diagonalen Zellbegrenzungsstege bilden also so eine Linie 16, nämlich eine Zick-Zack- Linie, welche sich über die gesamte strukturierte Formfeldfläche des Werkstückes 4 erstreckt und auch bereits in Fig.1a zu erkennen ist. Generell ist die Anordnung dieser Stege beliebig, vorzugsweise in Linienform, erzeugt aber in der Zick-Zack-Anordnung die größte Wirkung.
Die Fig. 3a zeigt die Lage der Hauptflächen 7, 9 des Flachmaterials vor der Verformung, wobei das Flachmaterial eine Mittelfläche 8 und eine Materialdicke 12 aufweist.
An Hand der vergrößerten Darstellungen in Fig. 3b und 3c soll nun der erfindungsgemäß erzielte Effekt gegenüber einem Blech nach dem Stand der Technik veranschaulicht werden. Die Fig. 3b zeigt eine Verformungsstruktur mit einer Zelle 5 in einem Flachmaterial, welches die Mittelfläche oder Mittelebene 8 aufweist. Die zellenartige Vertiefung 5 ist nun so gestaltet, dass das Flachmaterial aus der Mittelfläche 8 in eine einzige Richtung zur Bildung einer Zellvertiefung 10 bogenartig verläuft. Diese Vertiefung 10 besitzt eine Breite 6 und eine Höhe 13. Ihre Tangente formt zur Mittelfläche 8 einen relativ flachen Winkel α, so dass die Vertiefung 10 bei Ausübung eines Druckes auf sie relativ leicht zusammengedrückt werden kann.
Vergleicht man dagegen die erfindungsgemäße Form nach Fig. 3c (wo das Flachmaterial ebenfalls eine obere und eine untere Hauptfläche 7, 9 aufweist) mit der im Symmetrie- schnitt zweckmäßig parabelförmigen Vertiefung 10, so ist ersichtlich, dass die Zelle 5 einen gegenüber der Mittelfläche 8 hinaus gehenden erhabenen Zeilbiegerand 14 (zuzüglich der anteiligen Materialdicke 12) besitzt, die im Maximum in der Mitte der Diagonalstege eine Höhe (11 ) aufweist. Durch die längere Ausbildung der die Zelle 5 und ihre Vertiefung 10 begrenzenden Wand ergibt sich hier eine (gegenüber der der Fig. 3b) steilere Tangente, die unter einem Winkel ß zur Mittelfläche 8 verläuft, und die daher auch einen stärkeren Widerstand gegen Druckausübung bewirkt.
Die Herstellung einer lokal begrenzten Verformungsstruktur kann an sich auf beliebige Weise erfolgen, selbst durch das aus der DE-A1-197 50 576 bekannte Walzverfahren, wobei aber zu deren Erzeugung die Walzen immer wieder voneinander separiert werden müssen. Überdies wird wegen der entstehenden Blechkrümmung anschließend ein Richtvorgang zum Geraderichten erforderlich, wobei ein Teil des Steifigkeitsgewinns wieder verloren geht. Weiterhin ist durch den Walzvorgang eine regelmäßig paraboloide Beulausformung eingeschränkt, wie sie für die Zwecke dieser Erfindung vorteilhaft ist.
Beispielhaft für einen erfindungsgemäß mit Vorteil angewandten Pressvorgang ist ein C-Pressengestell 21 in Fig. 4 dargestellt, mit dem in Flachmaterialien die erfindungsgemäße Verformungsstruktur eingepresst werden kann. Diese Presse besitzt ein Unter- gesteil 25, auf dem in bekannter Weise ein Strukturwerkzeug 24 befestigt ist. Über dem Strukturwerkzeug 24 ist eine Platte 23 aus nachgiebigem, zweckmäßigerweise elastischem Material bestimmter Härte, auf das Strukturwerkzeug 24 absenkbar, um das zwischen dem Werkzeug und der Platte 23 eingeschobene Flachmaterial mit der Hauptfläche 9 gegen das Strukturwerkzeug 24 zu pressen. Die Elastomerplatte 23 wird dabei von einem Druckplattenträger 22 am C-Gestell 21 gehalten und wirkt auf die Hauptfläche 7.
Das Zusammenwirken des Strukturwerkzeuges 24 mit einer nachgiebigen Platte 23, statt mit einem starren Gegenwerkzeug, führt dazu, dass beim Zusammenfahren dieser bei- den Werkzeughälften 23, 24 die dazwischenliegende Blechplatinezunächst an den Scheitelpunkten der erhabenen, vorzugsweise bogenförmigen Zeilbiegeränder 14 (Überbögen) Kontakt mit der nachgiebigen, z.B. aus einem Elastomer bestehenden Platte 23 bekommt. Auf Grund der dort initiierten Flächenpressung und der daraus resultierenden Reibung wird der Werkstoff des Bleches im Randbereich einer zu erzeugenden Zelle an diesen Scheitelpunkten festgehalten und legt sich zunächst einmal konkav an diese „Überbögen" an. Beim weiteren Zusammenfahren der Werkzeug hälften wächst auf Grund der Nachgiebigkeit der Elastomerplatte 23 Druck auch im Mittenbereich der Zelle an. Die Folge ist, dass bei Erreichen eines bestimmten Druckes der Platte 23 (erzeugt durch das weitere Zusammenfahren der Werkzeughältften) die beulenartige Zelle vom konkaven Zustand (bedingt durch das Anliegen des Bleches an den Überbögen) mehr oder minder spontan in den konvexen Zustand überspringt. Eine weitere Druckerhöhung führt dann nur noch zur endgültigen Ausformung der Zelle. Dabei ist die erzielbare Beultiefe von der Dicke des Bleches und von dessen Festigkeitseigenschaften abhängig.
Neben einfach (mit einem wirkenden Stempel) wirkenden Pressen kann das Verfahren auch in mehrfach wirkenden Presssysteme angewendet werden. Beispielhaft seien hier Tief- und Streckziehwerkzeugsysteme genannt, in die das Strukturierungswerkzeug integriert wird, so dass neben der Hauptformgebung des Flachmaterials eine vollständige oder partielle Strukturierung in der erfindungsgemäßen Form integriert werden kann. Fig. 5 veranschaulicht einen derartigen Tiefzieh Vorgang, bei dem im gleichen Arbeitsgang tiefgezogen und strukturiert wird. Dargestellt ist eine Druckplatte 23, die in einer Matrize 26 befestigt ist. In der Hauptformgebung kann so das Ziehen des Bauteiles erfolgen. Position 3 zeigt den Ziehnapf und Position 2 den Ziehflansch.
Dabei veranschaulicht Fig. 6, dass die einzelnen Platten 23 und Strukturwerkzeuge 24 durchaus nicht immer völlig eben sein müssen, sondern dass auch leicht gekrümmte Flachmaterialien in der dargestellten Weise mit einer Strukturierung versehen werden können. Unter Umständen kann dann allerdings das Strukturierungswerkzeug nicht aus modularen Einzelelementen aufgebaut werden. Eine derartig gekrümmte Struktur lässt sich mit dem Walzstrukturierungsverfahren nicht erzeugen.
An Hand der Fig. 7a bis 7d sei der Eckbereich des Strukturwerkzeugs 24 veranschaulicht. Auf einer Grundplatte 20 des Strukturwerkzeugs 24 sind, die Hexagonalform nach Fig. 1a ergebende«, einzelne« Module befestigt, beispielsweise festgeschraubt, so dass die Module auswechselbar sind, falls dies durch Abnutzung oder infolge einer Umgestaltung der Verformungsstruktur erforderlich ist. Diese Einzelmodule umfassen einmal solche Module 17, welche die bogenförmigen Überhöhungen der Randzonen des Beulmusters ausformen, und solche Module 18, die die nicht überhöhten Randzonen des Beulmusters ausformen. Es ist aber auch möglich, von den Einzelmodulen abzusehen und Module vorzusehen, welche eine ganze Beulzelle umfassen. Darüber hinaus kann das gesamte Strukturformfeld aus dem vollen Werkzeugmaterial herausgearbeitet werden. Alle Module werden vorteilhaft mittels Spannplatten (in der Draufsicht unten) über Befestigungsboh- rungen 19 auf der Werkzeuggrundplatte 20 befestigt. In der Draufsicht oben ist diese Spannplatte zur Veranschaulichung weggelassen worden.
Es versteht sich, dass im Rahmen der Erfindung zahlreiche Modifikationen bezüglich der Form der Module bzw. bezüglich deren Anordnung möglich sind, sei es was die Form der Zellen oder ihre Anordnung anlangt.
Beispielsweise ist es zwar günstig, die höheren Beulbiegeränder des Werkzeuges 17 mit einem nach außen bzw. von der auf das zu verformende Material bezogenen Mittelfläche 8 weg weisenden Bogen auszustatten (was die erforderlichen Presskräfte reduziert), wie dies besonders die Figuren 7 zeigen, doch könnte auch jede andere Form gewählt werden, beispielsweise ein Doppelbogen od. dgl. Generell können die Bögen der Beulränder auch einwärts gerichtet sein, also etwa konkav, doch ist dies nicht zu bevorzugen. Bögen können auch an den niedrigeren Beulbiegerändern des Werkzeuges 18 vorgesehen werden, so lange ihr oberer Rand dann nicht über die, auf das zu verformende Material bezogene, Hauptfläche 7 hinausreicht. Solche Bögen können bevorzugt konkav ausgebildet sein. Ebenso wäre es denkbar, die Oberkante („oben" bezogen auf die Darstellung in den Figuren) schief zur Mittelebene 8 verlaufen zu lassen.
Auch kann die Zellvertiefung 10 (Fig. 3c) eine Abplattung oder aufwärts weisende Ein- dellung (Gegenbeule) besitzen. Ebenso kann das Verfahren, von dem eine bevorzugte Ausführung beschrieben wurde, auf die verschiedenste Weise abgeändert werden. So kann die Lage der Platten 23, 24 ausgetauscht werden, so dass etwa die Platte 24 oben liegt. An Stelle der Elastomerplatte 23 - welche bevorzugt ist - kann auch eine unnach- giebige Werkzeugplatte mit der Negativgravur zur Platte 24 verwendet werden, doch ist dies im Allgemeinen nicht kostengünstig.
Es wurde auch schon erwähnt, dass verschiedenartiges Flachmaterial für die erfindungsgemäße Strukturierung in Betracht kommt, außer Bleche, Natur- und Kunststoffe, Papiere und Pappen können auch Kompositmaterialien und aus verschiedenen Materialsorten und Dicken zusammengesetzte Materialien strukturiert werden. Es wurden bereits erfolgreiche Versuche mit Feinblechen durchgeführt.
Zusätzlich zu der versteifenden Wirkung der erfindungsgemäßen Formstruktur können Bauteile, die mit dieser Formstruktur versehen sind, unter Ausnutzung der besonderen Geometriegestalt weiterverformt werden, was die versteifende Wirkung weiter steigern kann. Eine besondere Variante der Erfindung kann darin bestehen, dass in ein Bauteil durch die erfindungsgemäße Formstruktur Versagensinitiierungsstellen eingebracht werden, etwa um ein Bauteil bei einer bestimmten Belastung einknicken zu lassen, z.B. um damit eine Energieabsorption im Falle einer starken impulsartigen Belastung zu ermöglichen.
Eine weitere Besonderheit der Erfindung kann darin bestehen, dass ein Bauteil nach der Hauptformgebung, auch nach dem Zusammenbau, mit entsprechenden Werkzeugen (auch zangenartig) mit der erfindungsgemäße Formstruktur oder mit einzelnen Beulen versehen werden kann.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:
1. Bauteil (1 ) aus einem Flachmaterial mit einer zwischen zwei zueinander parallelen Hauptflächen (7, 9) gelegenen Mittelfläche (8), wobei Flachmaterial mit einer Verformungsstruktur (4) versehen ist, die sich nach Art einer Pressung teilweise senkrecht zur Mittelfläche (8) erstreckt, dadurch gekennzeichnet,
(a) dass wenigstens ein Teilbereich (5) des Flachmaterials mit der Verformungs- struktur (4) versehen ist;
(b) dass die Verformungsstruktur (4) aus einem Gitter aneinandergrenzender, in Draufsicht vorzugsweise wenigstens annähernd hexagonaler, Zellen (5) besteht, wobei die Zellen jeweils durch quer zur Mittelfläche (8) sich erstreckende ZeII- biegeränder (14) und (15) begrenzt sind, und eine (c) von relativ höheren (14) und niedrigeren Zellbiegerändern (15) begrenzte Zelle
(5) eine mittige, bis zur Höhe (13), unterhalb der Hauptfläche (9) sich erstreckende Vertiefung (10) aufweist, während die höheren Zeilbiegeränder (14) bis zu einer Höhe (11) über der Mittelfläche (8) und die niedrigeren Zellbiegerändern (15) im Wesentlichen bis zur Höhe einer Hauptfläche (7) ausgebildet sind.
2. Bauteil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die höheren Zellbiegeränder wenigstens einer der folgenden Bedingungen genügen:
(a) bei Ausbildung eines Gitters aneinandergrenzender Zellen (5) verlaufen die höheren Zellbiegerändern (14) entlang einer, vorzugsweise ununterbrochenen
Linie (16) (Fig. 1a);
(b) die höheren Zellbiegeränder (14) sind wenigstens zum Teil in Seitenansicht bzw. im Schnitt mit einer bogenförmigen von der Mittelfläche (8) weg gerichteten Wölbung versehen.
3. Bauteil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (10) mindestens in einem Teilbereich der Zellen (5) als konkave, z.B. im Schnitt parabelförmige, Beulen ausgeführt sind.
4. Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in ein von zueinander parallelen Hauptflächen (7, 9) begrenztes Flachmaterial der Dicke (12) eine Verformungsstruktur (4) in Form von zellenartigen, mit Zellbiegerändern (14, 15) begrenzte Vertiefungen (10) mit Hilfe von Verformungswerkzeugen (24, Fig. 5, 6 und 7) eingebracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass die von relativ höheren (14) und niedrigeren Zellbiegerändern (15) begrenzten Zellen (5) mittige, bis zur Höhe (13), unterhalb der Fläche (9) sich erstreckende Vertiefungen (10) aufweisen, während die höheren Zellbiegeränder (14) bis zur Höhe (11) über die Mittelfläche (8) und die niedrigeren Zellbiegerändern (15) im Wesentlichen bis zur Höhe einer Hauptfläche (7) ausgebildet sind, und dass die Vertiefungen (10) sowie die Zellbiegeränder (14, 15) im Wesentlichen gleichzeitig geformt werden.
5. Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles nach einem der vorhergehenden An- sprüche.-dadurch gekennzeichnet, dass die Verformungsstruktur (4) bezüglich der Mittelfläche (8) in ein als Press-, Tiefzieh- oder Streckziehwerkzeug ausgebildetes Hauptformwerkzeug integriert wird, so dass die Nebenformgebung im Wesentlichen im selben Prozessschritt wie die Hauptformgebung erfolgen kann.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nur in einem Teilbereich des Werkstückes die Verformungsstruktur (4) eingebracht wird und dass die Verformungswerkzeuge (24, Fig. 5, 6 und 7) derart gestaltet werden, dass ein Teilbereich der Verformungsstruktur (4) oder nur eine einzelne Zelle (5) ausgebildet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Presskraft zur Erzeugung der Zellen (5) sowie der Erhabenheit der Zellbiege- ränder (14, 15) über mindestens eine nachgiebige, insbesondere elastische, Fläche
(23) auf das Bauteil (1) aufgebracht wird, und dass vorzugsweise die Verformungswerkzeuge (24, Fig. 5,6 und 7) an einem im Wesentlichen platten- förmigen, z.B. ebenen (Fig. 5) aber auch gebogenen (Fig. 6), Werkzeugträger fixiert sind, der in einem Pressprozess gegen eine mit einer nachgiebigen, den Verfor- mungswerkzeugen gegenüberliegenden, im Wesentlichen plattenförmige Oberfläche
(23) gepresst wird. -
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierungswerkzeuge (24) auf einem Träger (20) aus einzelnen EIe- menten oder Modulen (17, 18) aufgebaut werden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bauteil oder Flachmaterial die erfindungsgemäße Verformungsstruktur (4) mit aneinander gereihten Folgeoperationen oder in Form von mehreren Einzeloperationen gepressten Formfeldem erzeugt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein Bauteil oder Flachmaterial mit der erfindungsgemäßen Verformungsstruktur (4) weiter verformt wird.
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