DE102008056521B3

DE102008056521B3 - Verfahren zum Herstellen einer grobstrukturierten Materialbahn mit feinstrukturierten Teilflächen und durchgängigen, ebenen oder nahezu ebenen Rändern, ein nach dem Verfahren hergestelltes Erzeugnis sowie bevorzugte Verwendungen

Info

Publication number: DE102008056521B3
Application number: DE200810056521
Authority: DE
Inventors: Frank Prof. Dr. Mirtsch; Michael Mirtsch; Eberhard Kurzweg
Original assignee: Mirtsch Dr GmbH
Current assignee: Dr Mirtsch De GmbH
Priority date: 2008-11-08
Filing date: 2008-11-08
Publication date: 2010-04-08
Anticipated expiration: 2028-11-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer grobstrukturierten, vorzugsweise beul- bzw. wölbstrukturierten Materialbahn mit Feinstrukturen in Teilflächen und einem durchgängigen, ebenen oder nahezu ebenen Rand, ein nach dem Verfahren hergestelltes ebenes, strukturiertes Bauteil und Verwendung desselben, insbesondere als formsteifes, dünnes Wandelement im Brandschutz, als Trenn-, Decken- oder Bodenschicht oder als Sandwichschicht, wie für Wärme- und Schalldämmung oder mit einer Klangmatte und ferner ein zylindrisch oder ovales bzw. elliptisch gekrümmtes, strukturiertes Bauteil, insbesondere als formsteifen Rohrabschnitt und Verwendung desselben, wie für Abgasanlagen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer grobstrukturierten, vorzugsweise beul- bzw. wölbstrukturierten Materialbahn mit Feinstrukturen in Teilflächen und einem durchgängigen, ebenen oder nahezu ebenen Rand, eine nach dem Verfahren hergestellte Materialbahn, insbesondere eine flächige, strukturierte Materialbahn und einen strukturierten Rohrabschnitt und Verwendung derselben, insbesondere als formsteifes, dünnes Wandelement im Brandschutz, als Trenn-, Decken- oder Bodenschicht oder als Sandwichschicht, wie für Wärme- und Schalldämmung oder mit einer Klangmatte und ferner ein zylindrisch oder ovales bzw. elliptisch gekrümmtes, strukturiertes Bauteil, insbesondere als formsteifer Rohrabschnitt und Verwendung desselben, wie für Abgasanlagen.
Stand der Technik
Es sind zahlreiche Verfahren bekannt, um dünne Materialbahnen oder Blechteile in eine strukturierte Gestalt zu formen, um deren Steifigkeit zu erhöhen. Um die Biege- und Beulsteifigkeit von Bauteilen zu verbessern, sind mechanisch strukturierte Materialbahnen, beispielsweise genoppte Bleche, bekannt. Derartig strukturierte Materialien erfordern jedoch hohe Plastifizierungsreserven des Ausgangsmaterials, da der Werkstoff beim Strukturieren durch die mechanischen Form- und Prägewerkzeuge stark plastifiziert wird. Deshalb lassen sich hochfeste Blechwerkstoffe, die nur über geringe Plastifizierungsreserven verfügen, nicht oder nur sehr schwierig mit Hilfe konventioneller, mechanischer Formwerkzeuge mehrdimensional strukturieren. Da hierbei ein flächiger Kontakt zwischen dem zu strukturierenden Material und dem Werkzeug auftritt, leidet in der Regel die Oberflächengüte des Ausgangsmaterials durch dieses konventionelle Strukturieren ganz erheblich. Im Gegensatz dazu kann man dünne Materialbahnen auf der Basis eines selbstorganisierenden Strukturierungsverfahrens besonders Werkstoff- und oberflächenschonend mit Beul- bzw. Wölbstrukturen versehen (beschrieben in EP 06 93 008 B1 , DE 198 56 236 A1 ).
Alle diese bekannten Verfahren zum Grobstrukturieren, einschließlich zum Beul- bzw. Wölbstrukturieren, dünner Materialbahnen besitzen jedoch noch den gravierenden Nachteil, dass sich diese grobstrukturierten Materialbahnen nicht einfach dicht auf einen ebenen Rahmen fügen lassen. Dazu müssten die Materialbahnen einen durchgängigen, exakt ebenen oder zumindest angenähert ebenen Rand (im Folgenden kurz „ebenen Rand” genannt) besitzen. Nach dem Stand der Technik benötigt man bisher noch aufwändige Formwerkzeuge und Pressen, um grobstrukturierte, wie beul- bzw. wölbstrukturierte Materialbahnen mit einem dicht fügbaren Rand auszustatten. In DE 102 15 912 C1 werden ein Verfahren und ein Prägewerkzeug zur Herstellung eines Karosserie-Bauteils aus einem wölbstrukturierten Blech beschrieben, wobei die wölbstrukturierte Platine durch Matrize und Stempel fixiert wird und wobei mit Hilfe eines Umformstempels die zu fügenden Randbereiche geglättet (re-plattiert) werden. In diese geglätteten Randbereiche werden mittels Umformstempel und Matrize breite, kurze Sicken, auch „Verbraucher” oder „Aufnehmer” genannt, parallel zum Rand des grobstrukturierten Blechteils eingeprägt ( DE 102 15 912 C1 , 1b, Position 34). Auf diese Weise entsteht ein ebener Randbereich zwischen diesen Sicken und dem Rand. Nachteilig ist hierbei, dass der maschinelle Aufwand für das Einprägen der Sicken groß ist und ferner der Blechwerkstoff im Bereich der Sicken und des ebenen Randbereiches stark plastifiziert wird und ferner die Oberflächengüte das Ausgangsmaterials erheblich leidet. Eigene experimentelle Untersuchungen an der wölbstrukturierten Rückwand einer PKW-Karosserie aus Aluminium haben ergeben, dass der Blechwerkstoff durch das Einprägen der Sicken viel leichter einreißen kann als durch den Wölbstrukturierprozess selbst. Nachteilig ist ferner, dass auf diese Weise bisher wölbstrukturierte Karosserieteile ausschließlich in einem zweistufigen, diskontinuierlichen Herstellungsprozess, bestehend aus dem werkstoffschonenden Wölbstrukturierprozess und dem Sickenprozess, hergestellt werden können. Ein kontinuierlich oder zumindest halb-kontinuierlich arbeitender Herstellungsprozess von grobstrukturierten und zugleich dicht fügbaren Materialbahnen, bei dem der Werkstoff nur wenig plastifiziert und die Oberflächengüte weitestgehend erhalten bleibt, existiert noch nicht.
Man könnte zunächst daran denken, die Beul- bzw. Wölbstrukturen der Materialbahn in den Randbereichen partiell wieder einzuebnen, um einen durchgängigen, ebenen Rand für das dichte Fügen zu erhalten. Ferner könnte man daran denken, bereits beim Herstellungsprozess der Beul- bzw. Wölbstrukturen die Randbereiche der Materialbahn durchgängig eben zu belassen (d. h. beim Beul- bzw. Wölbstrukturierungsprozess partiell auszusparen). Eigene experimentelle Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass diese beiden zunächst nahe liegenden Überlegungen nicht zum Erfolg führen, weil hierbei unerwünschte Falten oder Wellungen im Randbereich und sogar Verwerfungen der gesamten Materialbahn entstehen können. Die Ursachen hierfür sind: Beim Beul- bzw. Wölbstrukturierprozess ( EP 06 93 008 B1 , DE 198 56 236 A1 ) wird der Werkstoff nicht oder nur ganz wenig plastifiziert und erfährt eine quasi isometrische Verformung (mehrdimensionale Faltung). Da beim Beul- bzw. Wölbstrukturierprozess keine oder allenfalls eine unwesentliche Vergrößerung der Oberfläche (Isometrie der Fläche) des Ausgangsmaterials auftritt, die Materialbahn jedoch eine dreidimensionale Gestalt annimmt, muss sie sich beim Strukturieren etwas verkürzen (raffen). Ein durchgängig ebener Randbereich müsste wiederum etwas länger ausfallen, weil er nicht gerafft ist. Daraus resultiert eine störende Längendifferenz zwischen dem wölbstrukturierten (gerafften) Bereich und dem ebenen (nicht gerafften) Randbereich. Hierdurch kann eine Instabilität mit unerwünschter Falten- und/oder Wellenbildung hervorgerufen werden. Diese Verkürzung (Raffung) fällt zwar bei beul- bzw. wölbstrukturierten Materialbahnen deutlich geringer aus als bei anderen grobstrukturierten, wie mit Hilfe von Prägewalzen „genoppten”, Materialbahnen. Dennoch bleibt die Längendifferenz zwischen dem grobstrukturierten Bereich und dem durchgängigen, ebenen Randbereich störend. Dieser Nachteil wirkt sich umso gravierender aus, je höherfester und inhomogener der Werkstoff der Materialbahn ist. In der Praxis muss eine gewisse Inhomogenität des Blechwerkstoffs, beispielsweise als Folge des Kaltwalzens, in Kauf genommen werden.
Diese Problematik wird anhand eines Beispiels aus dem Karosseriebau von Automobilen oder Schienenfahrzeugen noch etwas eingehender erläutert: Für die Beplankung des Rahmens einer Karosserie verwendet man häufig dünne Bleche aus Stahl oder Aluminium, die in der Regel durch thermisches Fügen oder Kleben mit einem Karosserierahmen verbunden werden. Aus der DE 10 2004 044 509 B4 ist ein Verfahren bekannt, durch das ein beul- bzw. wölbstrukturiertes Blechteil vorzugsweise durch Punkt-Schweißen (elektrisches Widerstandsschweißen) mit einem glatten Rahmen verbunden und gleichzeitig gegenüber thermischer Ausdehnungsbehinderung stabilisiert werden kann. Nachteilig ist jedoch hierbei, dass beim Punkt-Schweißen die Beul- bzw. Wölbstrukturen nur lokal eingedrückt werden und deshalb ein dichtes Fügen noch nicht möglich ist. Für ein dichtes Fügen müssten die beul- bzw. wölbstrukturierten Bleche einen durchgängigen, exakt ebenen oder nahezu ebenen Rand erhalten. Dazu müssten die Strukturen wieder eingeebnet werden, oder es müsste der Randbereich der Materialbahn bereits beim Strukturierungsprozess ausgespart werden. Das würde jedoch, wie oben bereits erläutert, eine unerwünschte Längendifferenz des ebenen Randbereiches gegenüber dem grobstrukturierten Mittelbereich, welcher durch das Beul- bzw. Wölbstrukturieren etwas gerafft ist, nach sich ziehen.
Aus der DE 10 2005 025 620 A1 ist ein Verfahren bekannt, um eine grobstrukturierte (in der Fachsprache auch makrostrukturiert genannt), insbesondere beul- bzw. wölbstrukturierte Materialbahn mit einem feinstrukturierten Randbereich oder mit einer glatten Teilfläche auszustatten. Die Gestalt dieser bekannten Feinstrukturen wird dabei so gewählt, wie sie quasi von selbst aus einer gekrümmten Materialbahn entstehen (näher beschrieben in der DE 10 2005 025 620 A1 , Abschnitt [0014] auf der Seite 4/21). Nachteilig bei der DE 10 2005 025 620 A1 ist jedoch, dass die seitlichen Randbereiche der Materialbahn in ihrer Laufrichtung (in Richtung der zick-zack-förmigen Strukturfalten aus dem Beul- bzw. Wölbstrukturierungsprozess) bestenfalls kleine, ebene Einzelflächen ( DE 10 2005 025 620 A1 : Position 6 in 2) jeweils zwischen den wellenförmigen Feinstrukturen ( DE 10 2005 025 620 A1 : Position 5 in 2) erhalten können. Dadurch ergibt sich aber noch kein durchgängiger, ebener Rand des grobstrukturierten Blechteils für ein einfaches, dichtes Fügen auf einem ebenen Rahmen. Für ein dichtes Fügen wäre ein hoher personeller und maschineller Aufwand erforderlich, und es träten erhebliche Schwierigkeiten auf: Im Bereich der wellenförmigen Feinstruktur ( DE 10 2005 025 620 A1 : Position 5 in 2) müsste man die Nachteile eines erhöhten Schweißzusatzwerkstoffverbrauchs und des deutlich erhöhten Wärmeeintrags (durch das Schmelzen dieses Schweißzusatzwerkstoffs) mit der Gefahr von hohen Wärmespannungen und starkem Verzug des Bauteils in Kauf nehmen.
Ferner haben eigene, neuere experimentelle Untersuchungen ergeben, dass der in DE 10 2005 025 620 A1 beschriebene Vorschlag, bereits beim Beul- bzw. Wölbstrukturierprozess „seitliche Aussparungen in der elastischen Druckwalze vorzusehen” (Text in der DE 10 2005 025 620 A1 , zweite Spalte auf der Seite 5/21, Zeilen 15 bis 18) noch nicht zu einem hinreichend ebenen, seitlichen Randbereich der Materialbahn in Laufrichtung führt. Auf diese Weise wäre der seitliche Randbereich der Materialbahn zwar nicht strukturiert, jedoch würden infolge der oben beschriebenen, Längendifferenz störende Verzüge des Randbereiches auftreten, die ein dichtes Fügen ganz erheblich erschweren würden.
Zum besseren Verständnis wird der Unterschied zwischen dem Verhalten der beul- bzw. wölbstrukturierten Materialbahn in Laufrichtung (in Zick-zack-Richtung der hexagonalen Struktur) und quer zur Laufrichtung (quer zur Zick-zack-Richtung der hexagonalen Struktur) näher erläutert. Beim Fertigungsprozess des Beul- bzw. Wölbstrukturierens wird die Materialbahn etwa doppelt soviel in ihrer Laufrichtung gerafft (Längeneinkürzung etwa 0,5–1% gegenüber der Ausgangslänge) wie quer zu ihrer Laufrichtung (Breiteneinkürzung etwa 0,25–0,5 % gegenüber der Ausgangsbreite). Die Gründe für diese beiden unterschiedlichen Einkürzungen liegen in den Merkmalen des Wölbstrukturierprozesses und des anschließenden Richtprozesses und sind beispielsweise in der DE 10 2005 025 620 A1 (im Abschnitt [0012] auf der Seite 4) etwas näher erläutert.
Der in der DE 10 2005 025 620 A1 beschriebene durchgängige, ebene Randbereich ist leider ausschließlich nur quer zur Laufrichtung der Materialbahn (mit geringerer Einkürzung) zu realisieren ( DE 10 2005 025 620 A1 : Position 14 in 12) und setzt noch zwei weitere störende Einschränkungen voraus: Erstens muss ein vergleichsweise breiter, nicht strukturierten Randbereich quer zur Laufrichtung der Materialbahn vorgehalten werden, und zweitens muss ein sanft gekrümmter Übergang vom glatten Randbereich zum wölbstrukturierten Bereich der Materialbahn existieren. Dieser sanft gekrümmte Übergang wirkt stabilisierend und kann deshalb störende Längendifferenzen etwas kompensieren (näher erläutert in der DE 10 2005 025 620 A1 : Abschnitt [0010] auf Seite 3/21 und Abschnitt [0040], 12 auf Seite 7/12). Dieser gekrümmte Übergang stellt jedoch häufig eine Einschränkung dar und ist deshalb in der Praxis meistens aus konstruktiver Sicht unerwünscht.
Aufgabenstellung
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, diese genannten Nachteile zu überwinden und einen durchgängigen, ebenen oder nahezu ebenen Rand sowohl in als auch quer zur Laufrichtung der grobstrukturierten, insbesondere beul- bzw. wölbstrukturierten Materialbahn oder eines Blechteils herzustellen. Dafür sollen auch keine einschränkenden, gekrümmten Übergänge zwischen dem beul- bzw. wölbstrukturierten Bereich und dem ebenen Randbereich mehr erforderlich sein. Das soll vorzugsweise auf materialschonende Weise und ohne aufwändige Pressen geschehen. Ferner sollen ein kontinuierlich arbeitendes, mehrstufiges Verfahren oder sogar ein integriertes Verfahren zum Herstellen grobstrukturierter, insbesondere beul- bzw. wölbstrukturierter Materialbahnen mit einem durchgängigen, ebenen oder nahezu ebenen Rand oder ein halb-kontinuierliches Verfahren zum Herstellen von Blechteilen mit einem allseitig durchgängigen, ebenen oder nahezu ebenen Rand zu realisieren sein. Ferner sollen die grobstrukturierten, insbesondere beul- bzw. wölbstrukturierten und mit einem durchgängigen, ebenen oder nahezu ebenen Rand ausgestatteten Materialbahnen oder Blechteile im Brandschutz, als Trenn-, Decken- oder Bodenschicht oder als Sandwichschicht, wie für Wärme- und Schalldämmung oder mit einer Klangmatte zu realisieren sein. Schließlich sollen auch grobstrukturierte und dicht fügbare zylindrische oder ovale bzw. elliptische Rohrabschnitte, wie für Abgasanlagen, herzustellen sein.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren nach dem Hauptanspruch, nach den unabhängigen Ansprüchen 15 und 16, nach den Sachansprüchen 12, 13 und 17 und durch Verwendung der strukturierten Materialbahn nach den Ansprüchen 14 und 18. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 11.
Es wurde überraschenderweise gefunden, dass durchgängige, ebene oder nahezu ebene Ränder in grobstrukturierten, insbesondere beul- bzw. wölbstrukturierten Materialbahnen oder Blechteilen dadurch erzeugt werden können, dass (anstatt der bekannten, zum Rand der Materialbahn hin frei auslaufenden, „offenen” wellenförmigen Feinstrukturen) zum Rand „abgeschlossene” (d. h. nicht frei auslaufende), wellenförmige Feinstrukturen senkrecht zum Rand der Materialbahn oder des Blechteils eingebracht werden. Es können aber auch schräg zum Rand angeordnete Feinstrukturen zur Anwendung kommen. Hierfür wird nach der Erfindung erstens die Raffung im Bereich der Feinstrukturen etwas stärker eingestellt als die Raffung im Bereich der Grobstrukturen, insbesondere Beul- bzw. Wölbstrukturen, wobei die „abgeschlossenen”, wellenförmigen Feinstrukturen vorzugsweise auf der Basis einer kontrollierten Selbstorganisation gefunden und senkrecht oder schräg zum Rand angeordnet werden. Es können aber auch „abgeschlossene”, wellenförmige Feinstrukturen verwendet werden, die nicht aus der Selbstorganisation entstanden sind, jedoch eine raffende Wirkung haben und möglichst gleichmäßig gerundet gebildet sind. Zweitens findet beim Herstellen der „abgeschlossenen”, wellenförmigen Feinstrukturen ein Nachfließen des Werkstoffes vom Rand weg in den feinstrukturierten Bereich hinein statt. Mit Hilfe dieser beiden Maßnahmen kann man auf werkstoffschonende Art eine grobstrukturierte Materialbahn oder ein grobstrukturiertes Blechteil mit guter Planlage mit einem durchgängigen, ebenen oder nahezu ebenen Rand ausstatten. Die Anordnung dieser „abgeschlossenen” Feinstrukturen mit ihrer überproportionalen Raffung wird später in den Figuren beispielhaft noch näher beschrieben.
Diese Vorgänge sind sehr komplex und werden im Folgenden noch etwas näher erläutert und begründet, weil ein durchgängiger, ebener oder nahezu ebener Rand eigentlich im krassen Widerspruch zu einer gerafften Materialbahn bzw. zum Blechteil insbesondere dann steht, wenn gleichzeitig der Werkstoff weitgehend geschont, d. h. nur wenig plastifiziert, und die Oberflächengüte weitgehend erhalten werden soll. Das zu überwindende Problem besteht also darin: Man hätte eigentlich erwartet, dass infolge eines gerafften grob-, wie beul- bzw. wölbstrukturierten Mittelbereichs, eines angrenzenden, ebenfalls gerafften feinstrukturierten Bereichs und eines angrenzenden durchgängigen, ebenen oder nahezu ebenen (nicht gerafften) Randbereiches (mit einem freien, d. h. von außen nicht fixierten Rand) eine innere, starke asymmetrische Belastung infolge der Längendifferenzen zwischen den genannten Bereichen entsteht. Diese gestaffelten Längendifferenzen lösen Reaktionskräfte zwischen diesen gerafften Bereichen aus und stauchen den durchgängigen, ebenen oder nahezu ebenen (nicht gerafften) Randbereich. Anschaulich beschrieben versuchen die angrenzenden gerafften Bereiche, den durchgängigen, ebenen oder nahezu ebenen Randbereich zusammen zu ziehen. Das können eine Knick-Instabilität und ein Verzug mit einer störenden Wellenbildung des Randbereiches der Materialbahn oder des Blechteils hervorrufen. Die erfinderische Lösung dieses Problems beruht zunächst darin, dass der feinstrukturierte Bereich gegenüber dem angrenzenden grob-, insbesondere beul- bzw. wölbstrukturierten Bereich etwas überproportional gerafft wird. Dieser überproportionale Anteil der Raffung des feinstrukturierten Bereichs wird auf seiner anderen Seite durch wirksame innere Zugkräfte (d. h. Reaktionskräfte des gestauchten, ebenen Randbereichs) wieder größtenteils aufgehoben, so dass keine große Instabilität zwischen dem grob-, insbesondere beul- bzw. wölbstrukturierten Bereich einerseits und dem feinstrukturierten Bereich andererseits entsteht. Um zu verhindern, dass der durchgängige, ebene oder nahezu ebene Rand durch die beiden gerafften, strukturierten Bereiche nicht unzulässig hoch gestaucht und dadurch eine störende Restinstabilität erfahrt, fließt etwas Material vom durchgängigen, ebenen oder nahezu ebenen Randbereich in den feinstrukturierten Bereich hinein. Nach der Erfindung erfolgt dieser geringe Werkstofffluss aus dem Randbereich der Materialbahn in den feinstrukturierten Bereich hinein dadurch, dass die Feinstrukturen „abgeschlossen” zum Rand hin ausgebildet werden und gleichzeitig durch ihre senkrechte oder schräge Ausrichtung zum Rand ihre raffende (kompensatorische) Eigenschaft beibehalten. Diese „abgeschlossenen”, wellenförmigen Feinstrukturen unterscheiden sich grundsätzlich sowohl von den geprägten, d. h. stark plastifizierten Nebenformelementen (Sicken parallel zum Rand) der DE 10215 912 C1 als auch von den „offenen” Feinstrukturen der DE 10 2005 025 620 . Gegenüber den bekannten offenen Feinstrukturen, die ebenfalls auf der Basis einer kontrollierten Selbstorganisation gefunden wurden ( DE 10 2005 025 620 A1 , Abschnitt [0014] auf der Seite 4/21) sind die neuen wellenförmigen Feinstrukturen „abgeschlossen”. Die Ausformung dieser „abgeschlossenen” Feinstrukturen kann auch mittels angepasster Formwerkzeuge durch ein mechanisches Eindrücken, wie Tiefziehen/Streckziehen, erfolgen. In der 1 werden diese komplexen Zusammenhänge später noch anschaulich erläutert und beispielhaft mit experimentellen Werten belegt.
In einer Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung wird der Randbereich der Materialbahn beim Grobstrukturieren, insbesondere Beul- bzw. Wölbstrukturieren, ausgespart und anschließend mit einer abgeschlossenen Feinstruktur und einem ebenen Rand ausgestattet. Das Grob-, insbesondere Beul- bzw. Wölbstrukturieren kann nach der Erfindung aber auch in einem integrierten Strukturierungsprozess erfolgen.
In einer weiteren Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung wird die Materialbahn zunächst vollständig mit einer Grobstruktur, insbesondere Beul- bzw. Wölbstruktur versehen. Dann wird der Randbereich, vorzugsweise mit Hilfe von mechanischen Werkzeugen, größtenteils oder teilweise wieder eingeebnet. Dadurch wird erreicht, dass der so re-plattierte Bereich eine sehr kleine Raffung beibehält. Gleichzeitig wird hierdurch vermieden, dass störende, sich frei einstellende Wellen im Randbereich bilden können. Anschließend wird der so re-plattierte Randbereich mit der „abgeschlossenen” Feinstrukturierung ausgestattet. Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass sich auf diese Weise ein vergleichsweise breiter, ebener Randbereich erzeugen lässt.
In einer weiteren Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung wird die Materialbahn zunächst ebenfalls vollständig mit einer Grobstruktur, insbesondere Beul- bzw. Wölbstruktur versehen. Dann wird der Randbereich größtenteils oder teilweise, vorzugsweise mit Hilfe von mechanischen Werkzeugen, wieder eingeebnet. Anschließend wird der teilweise re-plattierte Randbereich mit vorzugsweise mit zwei Reihen von „abgeschlossenen”, wellenförmigen Feinstrukturierungen ausgestattet. Es können aber auch drei und mehrere Reihen von Feinstrukturierungen sein. Die nahezu ebenen Bereiche zwischen den separaten Feinstruktur-Reihen führen infolge der bereits beschriebenen überproportionalen Raffung ebenfalls nicht zu störenden Instabilitäten, wie eigene experimentelle Untersuchungen gezeigt haben. Der Vorteil dieser separaten Feinstruktur-Reihen besteht darin, dass später die strukturfreien Zwischenbereiche durch Hin- und Herbiegen umgeformt werden können, ohne dass dabei die Feinstrukturen einknicken.
In einer weiteren Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung wird eine zylindrisch gekrümmte Materialbahn, wie in Form eines dünnwandigen Rohrabschnittes, mit „abgeschlossenen”, wellenförmigen Feinstrukturen versehen.
In einer weiteren Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung kann man auf die Feinstrukturen sogar verzichten, wenn zusätzlich eine axiale Krümmung an den beiden Rohrenden (Verjüngung zum kleineren Durchmesser) eingebracht wird.
Die so grobstrukturierten, insbesondere mit Beul- bzw. Wölbstrukturen, und mit einem ebenen Rand ausgestatteten zylindrischen Rohrabschnitte lassen sich einfach in eine ovale bzw. elliptische Gestalt biegen.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele:
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren einer zeichnerischen Darstellung erläutert.
1 zeigt schematisch im oberen Teil eine Draufsicht auf eine in ihrem mittleren Bereich (kurz „mittig” genannt) hexagonal wölbstrukturierte, ebene Materialbahn mit seitlichen, wellenförmigen Feinstrukturen und einem durchgängigen, ebenen (nicht strukturierten) Randbereich sowie mehrere Querschnitte sowohl in Laufrichtung (Zick-zack-Richtung der hexagonalen Wölbstruktur) als auch senkrecht zur Laufrichtung der Materialbahn. 1 zeigt schematisch ferner im unteren Teil eine Draufsicht auf ein Detail der strukturierten Materialbahn mit den wirksamen inneren Kräften F.
2 zeigt an dem Beispiel eines hochelastischen Bleches der Dicke S = 0,8 mm (Edelstahl) schematisch eine Draufsicht auf eine „mittig” hexagonal wölbstrukturierte, ebene Materialbahn mit wellenförmigen Feinstrukturen und einem durchgängigen, nahezu ebenen Rand, sowie mehrere Querschnitte.
3 zeigt an einem Beispiel eines hochelastischen Bleches der Dicke S = 0,75 mm (Edelstahl) schematisch eine Draufsicht auf eine „mittig” hexagonal wölbstrukturierte, ebene Materialbahn, die zunächst vollflächig hexagonal wölbstrukturiert und dann in ihren Randbereichen wieder re-plattiert wurde, und die dann mit wellenförmigen „abgeschlossenen” Feinstrukturen und einem durchgängigen, nahezu ebenen Rand ausgestattet wurde, sowie mehrere Querschnitte.
4 zeigt schematisch eine Draufsicht auf eine „mittig” hexagonal wölbstrukturierte, ebene Materialbahn mit zwei separaten, wellenförmig feinstrukturierten Bereichen und einem durchgängigen, ebenen Rand, und zwei Querschnitte.
5 zeigt schematisch einen Querschnitt von einem hexagonal wölbstrukturierten, ebenen Bauteil und mit zwei separaten, wellenförmig feinstrukturierten Bereichen mit einem durchgängig ebenen Randbereich, wobei die ebenen Zwischenbereiche der Materialbahn so gebogen wurden, dass die Mulden der Wölbstrukturen, der nicht strukturierte Bereich zwischen den Feinstrukturen und der durchgängige, ebene Randbereich auf einer planen Unterlage bündig aufliegen.
6 zeigt schematisch einen Querschnitt von einem hexagonal wölbstrukturierten, ebenen Bauteil und mit zwei separaten, wellenförmig feinstrukturierten Bereichen und einem durchgängigen, ebenen Randbereich, wobei die Mulden der Wölbstrukturen auf einer Zwischenlage und ferner der nicht strukturierte Bereich zwischen den Feinstrukturen und der durchgängige, ebene Randbereich auf einer planen Unterlage bündig aufliegen.
7 zeigt schematisch als Beispiel eine Draufsicht auf einen „mittig” hexagonal wölbstrukturierten, zylindrisch gekrümmten Rohrabschnitt aus Edelstahlblech der Dicke = 0,6 mm mit seitlichen, wellenförmigen Feinstrukturen und durchgängigen, glatten Rändern.
8 zeigt schematisch eine Draufsicht als Beispiel auf einen „mittig” hexagonal wölbstrukturierten, zylindrisch gekrümmten Rohrabschnitt aus Edelstahlblech der Dicke = 0,6 mm mit glatten (strukturfreien), axial gerundeten Enden.
9 zeigt schematisch im oberen Teil den Querschnitt einer zweistufigen Vorrichtung zur Anwendung des Verfahrens, in der ersten Stufe (links im oberen Teil) zur Herstellung einer ebenen, „mittig” hexagonal wölbstrukturierten Materialbahn und in der zweiten Stufe (rechts im oberen Teil) zur Herstellung der seitlichen, wellenförmigen Feinstrukturen und der durchgängigen, ebenen Ränder, und im unteren Teil die entsprechende Draufsicht auf die Materialbahn.
10 zeigt, analog zu 9, schematisch im linken Teil als A-A die Draufsicht auf die obere Strukturierungswalze und den Querschnitt der unteren Druckwalze zur Herstellung einer ebenen, „mittig” hexagonal wölbstrukturierten, ebenen Materialbahn und im rechten Teil als B-B die Draufsicht auf die beiden oberen und unteren Strukturierungswalzen in Form von Prägewalzen zur Herstellung der „abgeschlossenen”, wellenförmigen Feinstrukturen mit den ebenen Rändern der Materialbahn.
11 zeigt, in modifizierter Ausführung von 10, für eine zylindrisch gekrümmte Materialbahn (Rohrabschnitt) schematisch in einer sehr vereinfachten Darstellung eine zweistufige Vorrichtung zur Anwendung des Verfahrens, in der ersten Stufe (links im oberen Teil) zur Herstellung eines, „mittig” hexagonal wölbstrukturierten, Rohrabschnittes und in der zweiten Stufe (rechts im oberen Teil) zur Herstellung der seitlichen, wellenförmigen Feinstrukturen und der durchgängigen, ebenen (wellenfreien) Randbereiche.
1 zeigt schematisch im oberen Teil eine Draufsicht auf eine „mittig” hexagonal wölbstrukturierte, ebene Materialbahn 1 mit den zick-zackförmigen Strukturfalten 2 (in Laufrichtung der Materialbahn 1), den Strukturfalten 3 (senkrecht zur Laufrichtung) und den Mulden 4. Der Querschnitt E₁-E₁ der Materialbahn 1 zeigt Mulden 4 und Falten 3 der Wölbstrukturen. Der obere Teil rechts in 1 stellt schematisch mehrere Querschnitte der Randbereiche dar: E₂-E₂ zeigt den Querschnitt des Bereichs 6 (zwischen den Wölbstrukturen und den Feinstrukturen 5) mit den sanft gerundeten Falten 8 (entsprechend 36 in 9) und den flachen Mulden 7 (entsprechend 35 in 9). Hinweis: Die sanft gerundeten Falten 8 und die flachen Mulden 7 bilden sich selbstorganisierend beim „mittigen” Wölbstrukturierprozess, wie später in 9 näher erläutert wird. Es zeigen der Querschnitt B-B eine wellenförmige Feinstruktur 5, der Querschnitt C-C einen ebenen Rand 11 und der Querschnitt D-D eine flacher auslaufende, wellenförmige Feinstruktur 10 (wird später in 9 erläutert). Der Querschnitt A-A quer zur Laufrichtung der Materialbahn 1 zeigt die Mulde 4, die Strukturfalte 3, die Feinstruktur 5 und den ebenen Randbereich 9. Insbesondere für den schwierigen Fall höherfester Blechwerkstoffe mit hohem elastischen Verhalten, wie beispielsweise Edelstahl, kann der durchgängige, ebene Randbereich 9 noch eine geringe Restwelligkeit aufweisen (in 1 nicht explizit dargestellt), deren Amplitude jedoch gering ist (und deshalb einfach zu fügen ist). Der untere Teil von 1 als Detail stellt schematisch die in der Materialbahn unterschiedlich wirksamen inneren Kräfte F dar. Infolge einer überproportionalen Raffung der Feinstrukturen 5 gegenüber den Wölbstrukturen 2, 3 ergibt sich: F₁ > F₂ (schematisch dargestellt als Pfeillängen der Kräfte). Durch das Raffen ziehen die beiden Kräfte F₁ und F₂ den strukturierten Bereich etwas zusammen. Dadurch bauen sich im durchgängigen, ebenen (nicht gerafften und damit etwas längeren) Randbereich 9 entgegen gerichtete Kräfte F₃ auf, die versuchen, den ebenen Randbereich ebenfalls etwas zusammenzuziehen und deshalb für den ebenen Randbereich 9 als Druckkräfte wirksam sind. Um nun zu verhindern, dass diese Druckkräfte eine Instabilität mit der Gefahr von Verzug und/oder Wellenbildungen (durch Stauchen) hervorrufen, wird aus dem Randbereich 9 etwas Werkstoffanteil „herausgezogen”. Das geschieht durch Zugkräfte F₄, die durch Einbringen/Eindrücken (mit einem Tief-/Streckziehanteil) der „abgeschlossenen” Feinstrukturen 5 aufgebaut werden. Deshalb sind diese „abgeschlossenen” Feinstrukturen 5 den bekannten offenen Feinstrukturen ( DE 10 2005 025 620 A1 ) deutlich überlegen. Die „abgeschlossenen” Feinstrukturen 5 können nicht nur in senkrechter Richtung (Feinstrukturen 5 in 1) sondern auch in schräger Richtung zum Rand 11 der Materialbahn angeordnet sein.
2 zeigt schematisch in Anlehnung an 1 die experimentellen Ergebnisse am Beispiel eines Edelstahlbleches der Dicke S = 0,8 mm, mit einer Wölbstruktur (Grobstruktur) der Schlüsselweite (SW) = 50 mm, der Wölbtiefe (lichte Höhe der Mulde 4) h₁ – S = (3,1 – 0,8) mm = 2,3 mm und der wellenförmigen Feinstrukturtiefe h₂ – S = (1,6 – 0,8) mm = 0,8 mm. Die überproportionale Raffung der Feinstruktur gegenüber der Wölbstruktur ergibt sich folgendermaßen: Durch das Wölbstrukturieren wird die Ausgangslänge (der glatten, noch nicht strukturierten Materialbahn) L₀ = 200,0 mm auf L₁ = 199,2 mm verkürzt, d. h. um 0,4% gerafft. Durch das Einbringen der Feinstrukturen 5 (näher beschrieben in 9 und 10) wird die lichte Länge auf L₂ = 198,8 mm, d. h. um insgesamt 0,52% gerafft. Der ebene Randbereich 9 ist auf L₃ = 199 mm verkürzt, d. h. um insgesamt 0,5% gerafft. Die experimentell gemessene lichte Höhe (Amplitude) der Randwelligkeit beträgt (1,0 – 0,8) mm = 0,2 mm. Da der Werkstoff vergleichsweise sehr wenig plastifiziert wird, bleibt – im Gegensatz zu den traditionellen Prägeverfahren, wie Noppen, Nebenformelemente usw. – die Oberflächengüte des Ausgangsblechs weitestgehend erhalten.
3 zeigt schematisch die experimentellen Ergebnisse eines anderen Beispiels. Hierbei entstand die Materialbahn 1 aus einer zunächst vollflächig hexagonal wölbstrukturierten Materialbahn, welche dann in den Randbereichen wieder eingeebnet (siehe punktiert angedeutete Strukturfalten 12, 13) und dann mit einer Feinstruktur 5 ausgestattet wurde. Die Einzelheiten zur Herstellung dieser strukturierten Materialbahn 1 werden später schematisch in 9 näher erläutert. Die Querschnitte sind analog 2 gewählt. In 3 sind die experimentellen Ergebnisse für ein Edelstahlblech der Dicke S = 0,75 mm mit einer Wölbstruktur (Grobstruktur) der Schlüsselweite (SW) = 33 mm, der Wölbtiefe (lichte Höhe der Mulde 4) = (2,25 – 0,75) mm = 1,5 mm und der wellenförmigen Feinstrukturtiefe = (1,5 – 0,75) mm = 0,75 mm angegeben. Die überproportionale Raffung der Feinstruktur gegenüber der Wölbstruktur beträgt L₁ – L₂ = (132,0 – 131,8) mm = 0,2 mm. Die lichte Länge des ebenen Randbereichs 9 ist L₃ = 131,93 mm. Die gemessene lichte Höhe der Randwelligkeit beträgt (1,0 – 0,75) mm = 0,25 mm.
4 zeigt schematisch in Anlehnung an 1 eine ebene Materialbahn 1 mit „mittigen” hexagonalen Wölbstrukturen, einen Zwischenbereich 6 und zwei Bereiche mit wellenförmigen Feinstrukturen 5 und 14, die durch einen schmalen, nicht strukturierten Bereich 15 voneinander getrennt sind, und einen durchgängig ebenen Randbereich 9. Die Querschnitte B-B und A-A zeigen die Strukturen in und senkrecht zur Laufrichtung der Materialbahn. Auch hierbei bewirkt die überproportionale Raffung der „abgeschlossenen” Feinstrukturen 5 und 14 gegenüber der Wölbstruktur (Grobstruktur) dafür, dass keine störenden Instabilitäten infolge der oben beschriebenen Längendifferenzen zwischen den etwas gestauchten ebenen (nicht strukturierten) Bereichen 6, 9 und 15 und den gerafften (strukturierten) Bereichen auftreten.
5 zeigt schematisch den Querschnitt durch eine strukturierte Materialbahn analog 4, die im Bereich 16 (entspricht 6 in 4) etwas gebogen und im Bereich 15 etwas entgegen gebogen wurde. Daraus ergibt sich beispielhaft ein strukturiertes Bauteil, welches an den Wölbmulden 4 und an den ebenen Bereichen 15 und 9 durchgängig auf einer planen Unterlage 17 bündig aufliegt und später leicht gefügt werden kann.
6 zeigt schematisch den Querschnitt durch eine strukturierte Materialbahn analog 4 und 5, die im Bereich 18 (entspricht 6 in 4) etwas mehr gebogen und im Bereich 15 entsprechend entgegen gebogen wurde. Daraus ergibt sich beispielhaft ein strukturiertes Bauteil, welches an den Strukturfalten 3 der Wölbstrukturen bündig an einer Zwischenlage 19 aufliegt, und an dem ebenen Bereich 15 sowie an dem ebenen Randbereich 9 auf einer planen Unterlage 17 ebenfalls bündig aufliegt. Die Zwischenlage 19 kann beispielhaft eine Wärmedämmschicht, Schalldämmschicht, Sandwichschicht oder eine Klangmatte darstellen.
7 zeigt schematisch eine Draufsicht in einer vereinfachten Darstellung auf eine zylindrisch gekrümmte, „mittig” hexagonal wölbstrukturierte, Materialbahn 20 mit radial umlaufenden, zick-zackförmigen Strukturfalten 2, axialen Strukturfalten 3, zum glatten Zwischenbereich 24 hin frei auslaufende axiale Falten 21 und Mulden 4 („mittig” wölbstrukturiert bedeutet, dass die seitlichen Bereiche 35 in 10 der zylindrisch gekrümmten Materialbahn beim primären Prozess des Wölbstrukturierens ausgespart werden). Die eingebrachten „abgeschlossenen”, wellenförmigen Feinstrukturen 5 (später beschrieben in 11) besitzen vorzugsweise eine Strukturtiefe in der Größenordnung der Dicke der zylindrisch gekrümmten Materialbahn. Die „abgeschlossenen” Feinstrukturen 5 können alternativ auch aus anderen Strukturen gebildet sein, die nicht senkrecht (Feinstruktur 5 in 7) sondern axial geneigt, d. h. schräg zum Randbereich 25 angeordnet sind. Die Zwischenbereiche 24 sind nicht strukturiert. Am Beispiel einer zylindrisch gekrümmten Materialbahn (Rohrabschnitt) aus Stahl der Dicke S = 0,6 mm mit dem Außendurchmesser = 260 mm ergibt sich eine gemessene, durchgängig glatte (frei von Randwelligkeit) Randbreite 2 mm.
8 zeigt eine zylindrisch gekrümmte Materialbahn (Rohrabschnitt), die keine „abgeschlossenen” Feinstrukturen am Rand mehr benötigt, um grobstrukturierte, wie beul- bzw. wölbstrukturierte Rohrabschnitte frei von Randwelligkeiten zu erhalten. Das wird durch eine Versteifung mit Hilfe einer zusätzlich eingebrachten axialen Krümmung des Randbereiches erreicht. 8 zeigt hierzu ein experimentelles Beispiel: Ein zylindrischer Rohrabschnitt der Dicke S = 0,6 mm aus Edelstahlblech mit einem Außendurchmesser 261 mm, der „mittig” mit einer hexagonalen Wölbstruktur der Schlüsselweite SW = 33 mm ausgestattet ist, wird an den beiden Rohrenden etwas gekrümmt (verjüngt). Durch diese zweifache Krümmung (axiale Krümmung des Randbereiches plus zylindrische Krümmung) des Randbereiches 28 wird die Materialbahn an den Rändern derartig versteift, dass denkbare Längendifferenzen zwischen den gerafften, grob-, wie wölbstrukturierten Bereichen einerseits und den glatten (nicht strukturierten) Randbereichen andererseits, keine störenden Instabilitäten hervorrufen können. Bei deutlich kleineren Durchmessern der zylindrisch gekrümmten Materialbahn wirkt sich bereits ihre zylindrische Eigenkrümmung so versteifend aus, dass keine zusätzliche axiale Krümmung im Randbereich mehr erforderlich ist. Das haben eigene experimentelle Untersuchungen bestätigt.
9 zeigt schematisch eine integrierte, zweistufige Vorrichtung zur Anwendung des Verfahrens zum Herstellen einer hexagonal wölbstrukturierten Materialbahn mit wellenförmigen, „abgeschlossenen”, feinstrukturierten Randbereichen 5 und durchgängig ebenen Randbereichen 9 und den Rändern 11. Die Materialbahn 1 wird zunächst zwischen eine Stützelementwalze 31, die mit Stützelementen 32 ausgestattet ist, und eine Druckwalze 33, die eine elastomere Schicht 34 enthält, geführt und so mit Druckbelastung beaufschlagt. Dadurch bilden sich die Wölbstrukturen mit ihren Mulden 4, ihren zick-zackförmigen Strukturfalten 2 in Laufrichtung (zu erkennen in der Draufsicht) und ihren Strukturfalten 3 senkrecht zur Laufrichtung der Materialbahn. Die Breite der elastomeren Schicht 34 auf der Druckwalze 33 entspricht der gewünschten Breite der in der Materialbahn „mittig” angeordneten, hexagonalen Wölbstruktur (Strukturfalten 2, 3 und der Mulden 4 in der Draufsicht im unteren Teil von 9). Die in der Draufsicht als punktförmige Linien 36 angedeuteten sanft gerundeten Falten der Materialbahn (schematisch dargestellt auch im Querschnitt E₂ – E₂ in 1) bilden sich beim Wölbstrukturierprozess selbst organisierend aus, wie eigene experimentelle Untersuchungen ergeben haben. Diese sind erheblich flacher als die Falten 2, 3 der Wölbstrukturen und laufen zum Randbereich der Materialbahn hin aus, so dass die Mulden 35 zwischen diesen sanft gerundeten Falten 36 zu den glatten Randbereichen hin ebenfalls auslaufen. Diese glatten (nicht strukturierten) Randbereiche werden somit etwas gestaucht. Sie können dadurch instabil werden sich ungewollt stark verziehen, weil der „mittige” wölbstrukturierte Bereich gerafft ist. Zwecks Beseitigung dieser unerwünschten Verzüge bzw. Wellungen der Randbereiche findet in der zweiten Stufe (in 9 oben rechts) die wellenförmige Feinstrukturierung der beiden Randbereiche in der Weise statt, dass diese Randbereiche mit Hilfe von „abgeschlossenen” Feinstrukturen vorzugsweise überproportional gerafft werden, um durchgängig exakt ebene oder zumindest angenähert ebene Ränder der Materialbahn zu erzeugen. Hierzu wird die „mittig” wölbstrukturierte Materialbahn (mit ihren noch nicht strukturierten Randbereichen aus primärem Wölbstrukturierprozess) in dem sekundären Feinstrukturierungsprozess zwischen zwei Stützelementwalzenpaare 36, die mit Stützelementen, vorzugsweise in Form von kleinen gerundeten, stabförmigen Stempeln 37 ausgestattet sind, geführt. Auf diese Weise können die „abgeschlossenen” Feinstrukturen in die beiden Randbereiche der Materialbahn eingebracht werden. So bilden sich durchgängig exakt ebene oder zumindest nahezu ebene (mit einer kleinen Restwelligkeit) Randbereiche 9 aus. In einer alternativen Ausgestaltung der Vorrichtung zur Anwendung des Verfahrens können der primäre „mittige” Wölbstrukturierprozess und der sekundäre Feinstrukturierprozess zu einem integrierten Strukturierungsprozess dadurch verknüpft werden, dass das obere Stützelementwalzenpaar 30 mit ihren Stützelementen 37 (für das Feinstrukturieren) einen angepassten, angenähert gleichen Walzendurchmesser erhält wie die Stützelementwalze 31 mit ihren Stützelementen 32 (für das Wölbstrukturieren) und dann auf einer gemeinsamen Drehachse positioniert werden. Eine analoge Anpassung findet statt für die gemeinsame Positionierung des unteren Stützelementwalzenpaars 30 mit ihren Stützelementen 37 einerseits und der Druckwalze 33 mit ihrer elastomeren Schicht 34 andererseits, ebenfalls auf einer gemeinsamen Drehachse. Da dem Fachmann ähnliche Anpassungen prinzipiell bekannt sind, wurde auf eine explizite Darstellung dieser integrierten Vorrichtung für die Herstellung einer „mittig” grob-, wie wölbstrukturierten und „abgeschlossenen” feinstrukturierten und mit einem durchgängigen, ebenen Rand versehenen Materialbahn sowohl in dieser 9 als auch in 10 sowie in 11 verzichtet.
Die Grobstrukturen wurden in 9 nur beispielhaft als hexagonale Wölbstrukturen ( EP 0900131 ) dargestellt. Es können aber auch die bekannten versetzt-viereckigen ( DT 2557215 A1 ), wappenförmigen ( EP 0888208 ), dreidimensional wellenförmigen ( DE 10 2005 041 516 B4 ), dreidimensional facettenförmigen ( DE 10 2005 041 555,5 ) Grobstrukturen, die vorzugsweise ebenfalls auf der Basis der Selbstorganisation gefunden wurden und ferner beispielhaft rhomben- oder rautenförmige Strukturen, die vorzugsweise durch eine isometrische oder nahezu isometrische Faltung in die Materialbahn eingebracht werden, im primären Grobstrukturierungsschritt gebildet werden.
10 zeigt schematisch die Ansicht A-A und die Ansicht B-B entsprechend der 9. Diese schematischen Darstellungen in 10 zeigen vereinfachend eine Sicht auf die beiden Vorrichtungen für das primäre Wölbstrukturieren und das sekundäre Feinstrukturieren mit der Bildung des ebenen Randbereiches 9. Die Materialbahn wird zunächst zwischen einer oberen Stützelementwalze (links in 10), deren Stützelemente lediglich schematisch angedeutet sind (für die umlaufenden zick-zackförmigen Strukturfalten 2 in Laufrichtung und für die axialen Stützfalten 3 senkrecht zur Laufrichtung der gekrümmten Materialbahn) und einer untere Druckwalze 33 mit ihrer elastomeren Schicht 34 (als Querschnitt links in 10) geführt und dadurch mit einer Druckbelastung beaufschlagt. Dadurch bilden sich die Wölbstrukturen mit ihren sichtbaren Mulden 4, und es bleiben die beiden Randbereiche 35 (sichtbar in 9 in der unteren Draufsicht, linke Seite der Materialbahn mit ihren selbst gebildeten, flach zum Rand hin auslaufenden gerundeten Falten 36 und Mulden 35) in der Materialbahn übrig. Deshalb bleiben die seitlichen Randbereiche 35 noch unerwünscht verzogen bzw. wellig. Die Materialbahn ist in 10 (linke Darstellung) als dicke Linie zwischen den beiden Walzen sichtbar. Zwecks Beseitigung dieser unerwünschten Verzüge bzw. Wellungen der Randbereiche 35 findet in der sekundären Stufe die bereits beschriebene Feinstrukturierung der beiden Randbereiche statt. In einer vereinfachten Darstellung in 10, rechts, sind die beiden oberen und die beiden unteren Stützelementwalzenpaare mit ihren Stützelementen 37 und deren Stempelflächen 38 schematisch dargestellt. In 10, rechts, ist die fertig strukturierte Materialbahn als Querschnitt mit ihrem „mittig” wölbstrukturierten Bereich, den beiden feinstrukturierten Bereichen und den beiden ebenen Randbereichen 9 als dicke Linie sichtbar.
In einer alternativen Ausgestaltung der Vorrichtung zur Herstellung einer grob-, wie hexagonal wölbstrukturierten Materialbahn mit wellenförmigen, „abgeschlossenen”, feinstrukturierten Randbereichen 5 und durchgängigen, ebenen Randbereichen 9, welche in 9 nicht explizit dargestellt ist, wird die Materialbahn 1 in der primären Stufe zunächst vollflächig mit Grob-, wie Wölbstrukturen, ausgestattet, dann in einer Zwischenstufe mit Hilfe herkömmlicher Walzen oder Glättungsvorrichtungen in den beiden Randbereichen (35 in 10) wieder teilweise oder vollständig wieder eingeebnet und dann, analog zu 9 und 10, in der sekundären Stufe mit den Feinstrukturen und mit den ebenen oder angenähert ebenen Randbereichen 9 ausgestattet.
11 zeigt in einer vereinfachten Darstellung eine zweistufige, diskontinuierliche Vorrichtung zur Anwendung des Verfahrens zur Herstellung einer zylindrisch gekrümmten Materialbahn (Rohrabschnitt). Hierbei wird eine glatte, vorzugsweise durch Stumpfschweißen zu einem zylindrischen Rohrabschnitt gefügte Materialbahn zunächst über die Stützelementwalze (links in 11), deren Stützelemente lediglich schematisch angedeutet sind (für die umlaufenden zick-zackförmigen Strukturfalten 2 in Laufrichtung und für die axialen Stützfalten 3 senkrecht zur Laufrichtung der gekrümmten Materialbahn) geschoben, und dann wird die Druckwalze 33 mit ihrer elastomeren Schicht 34 gegen die Materialbahn gedrückt. Die linke Darstellung zeigt die „mittig” wölbstrukturierte zylindrische Materialbahn, die durch Abrollen und Druckbeaufschlagung zwischen der oberen Strukturierungswalze und der unteren Walze 33 mit ihrer elastomeren Schicht 34 ihre Grobstruktur erhält, wobei die Randbereiche 35 nicht strukturiert bleiben. Hierbei ist darauf zu achten, dass die Schlüsselweite (SW) der Stützelemente für die Erzeugung der hexagonalen Wölbstruktur so dem inneren Durchmesser des Rohrabschnittes angepasst wird, dass eine ganzzahlige Anzahl von Wölbstrukturen auf dem Umfang des Rohrabschnitts gebildet wird. Die rechte Darstellung zeigt das Einbringen der „abgeschlossenen”, wellenförmigen Feinstrukturen mit durchgängig ebenen oder angenähert ebenen (wellenfreien) Randbereichen 9, wobei die „mittig” grobstrukturierte, zylindrische Materialbahn zwischen zwei mit Stützelementen 37 in Form von Prägestempeln abgerollt wird.
In analoger Weise, wie bereits in 9 und 10 für den integrierten Strukturierungsprozess beschrieben, kann auch die in 11 dargestellte zweistufige, diskontinuierliche Vorrichtung zur Anwendung des Verfahrens zur Herstellung einer zylindrisch gekrümmten Materialbahn (Rohrabschnitt) mit „mittigen” Grobstrukturen, wie Wölbstrukturen, mit seitlichen Feinstrukturen und mit durchgängig ebenen (wellenfreien) Randbereichen zu einem integrierten Prozess verknüpft werden. Da die Durchführung dem einschlägigen Fachmann bekannt ist, konnte auf eine explizite Darstellung dieser integrierten Vorrichtung in 11 verzichtet werden.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer grobstrukturierten Materialbahn mit feinstrukturierten Teilbereichen und durchgängig ebenen oder nahezu ebenen Rändern, wobei eine Materialbahn (1) im mittleren Bereich mit regelmäßig angeordneten Strukturen, insbesondere beul- oder wölbförmigen Strukturen, mit Mulden (4) und Falten (2, 3) versehen wird und dadurch eine Raffung im grobstrukturierten mittleren Bereich der Materialbahn (1) gebildet wird, wobei obere und untere Stützelemente (37) gegen einen inneren Randbereich (5) der Materialbahn (1) drücken, wobei Feinstrukturen in diesem inneren Randbereich (5) gebildet werden, wobei eine Raffung dieses Randbereichs (5) gebildet wird, die größer ist als die Raffung des grobstrukturierten mittleren Bereiches der Materialbahn (1), und wobei ein Materialfluss aus einem äußeren Randbereich (9), der seitlich von dem inneren Randbereich (5) der Materialbahn (1) angeordnet wird, in Richtung des inneren Randereichs (5) der Materialbahn (1) gebildet wird, und wobei abgeschlossene Feinstrukturen im inneren Randbereich (5) und ein ebener oder nahezu ebener Rand (11) gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Herstellungsschritt die Grobstrukturen, insbesondere Beul- oder Wölbstrukturen, im mittleren Bereich der Materialbahn (1) gebildet werden und seitliche Bereiche der Materialbahn von der Grobstrukturierung ausgespart werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialbahn (1) in einem alternativen ersten Herstellungsschritt vollflächig mit Grobstrukturen, insbesondere Beul- oder Wölbstrukturen, ausgestattet wird und in ihren seitlichen Bereichen die Grobstrukturen teilweise oder ganz eingeebnet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Herstellungsschritt die Feinstrukturen in der Gestalt von abgeschlossenen Feinstrukturen, insbesondere in der Form von Wellen (5) gebildet werden, die senkrecht oder schräg zur Laufrichtung der Materialbahn angeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen ebenen Zwischenbereich (15) zwei voneinander getrennte Feinstrukturen (5) und (14) gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere durch ebene Zwischenbereiche voneinander getrennte Feinstrukturen gebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Grobstrukturen, insbesondere Beul- oder Wölbstrukturen, unter Ausnutzung einer Selbstorganisation gebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinstrukturen unter Ausnutzung einer Selbstorganisation gebildet werden und durch Stützelemente (37) in ihrer Kontur abgebildet werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Stützelemente (37) auf einem Kern oder in einem Werkzeug angeordnet werden, welcher/welches eine einer gewünschten Feinstruktur (5) angepasste Kontur aufweist oder durch geometrisch angepasste Formwerkzeuge oder ein Wirkmedium angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die grobstrukturierte Materialbahn (1) eine hexagonale oder dreidimensional wellenförmige oder wappenförmige oder dreidimensional facettenförmige oder versetzt-viereckige oder rhomben- oder rautenförmige Struktur besitzt.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Grobstrukturen, insbesondere Beul- bzw. Wölbstrukturen (2, 3, 4), die Feinstrukturen (5) und ein durchgängiger, ebener oder angenähert ebener Randbereich (9) oder Rand (11) in einem zweistufigen oder in einem integrierten Herstellungsprozess in einer Materialbahn (1) erzeugt werden.
Dreidimensional strukturierte Materialbahn (1), hergestellt nach einem der Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 11 mit aneinander angeordneten Grobstrukturen, insbesondere beul- oder wölbförmigen Strukturen, mit Falten (2, 3) und Mulden (4) versehen, wobei die Materialbahn (1) mit abgeschlossenen Feinstrukturen (5), die senkrecht oder schräg zur Laufrichtung der Materialbahn angeordnet sind, versehen sind und mit einem ebenen oder angenähert ebenen Randbereich (9) oder Rand (11) ausgestattet sind.
Dreidimensional strukturierte Materialbahn gemäß dem Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht strukturierten Bereiche (15 und 16) bzw. (15 und 18) hin- und her gebogen sind.
Verwendung der strukturierten Materialbahn nach einem der Ansprüche 12 oder 13 als Trenn-, Decken-, Bodenwand, Brandschutzwand oder als Sandwichwand, insbesondere zur Aufnahme einer Wärme- oder Schalldämmschicht oder einer Klangmatte.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grobstrukturen, insbesondere Beul- bzw. Wölbstrukturen (2, 3, 4), die Feinstrukturen (5) und glatte oder angenähert glatte Randbereiche (25) in einem zweistufigen oder in einem integrierten Herstellungsprozess in einer zylindrisch gekrümmten Materialbahn (20) erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grobstrukturen, insbesondere Beul- bzw. Wölbstrukturen (2, 3, 4) und die in axialer Richtung gekrümmten, nicht strukturierten Randbereiche (28) in einem zweistufigen oder in einem integrierten Herstellungsprozess in einer zylindrisch gekrümmten Materialbahn (26) erzeugt werden.
Dreidimensional strukturierte, zylindrisch gekrümmte Materialbahn, hergestellt nach einem der Verfahren gemäß den Ansprüchen 15 und 16 mit aneinander angeordneten Grobstrukturen, insbesondere beul- oder wölbförmigen Strukturen, mit Falten (2, 3) und Mulden (4) versehen, wobei die Materialbahn mit seitlichen, abgeschlossenen, wellenförmigen Feinstrukturen (5), die senkrecht oder schräg zum Randbereich (25) der Materialbahn angeordnet sind, und mit ebenen oder angenähert ebenen Randbereichen (25) ausgestattet sind oder die mit in axialer Richtung gekrümmten, glatten Randbereichen (28) versehen sind.
Verwendung der strukturierten, zylindrischen Materialbahn nach Anspruch 17 für zylindrische oder ovale/elliptische, versteifte und fügbare Rohrabschnitte, beispielsweise für Abgasanlagen.