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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer mehrdimensional strukturierten Materialbahn für dünnwandige, ebene Wandelemente und Verwendung derselben für versteifte Wände, Kassetten, wie in Fahrzeugen, Apparate- und Maschineneinkleidungen, Fassaden ohne oder bei reduziertem Durchschlag bei dynamischer Belastung.
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Stand der Technik
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Es werden häufiger mehrdimensional versteifte Leichtbauteile mit geringem Gewicht insbesondere im Fahrzeugbau und im Bauwesen gebraucht, die Ressourcen schonend hergestellt werden und zugleich zusätzliche vorteilhafte Gebrauchseigenschaften aufweisen, beispielsweise ein sehr dünnwandiges und dennoch formsteifes und geräuscharmes Wandelement, wie eine Kassette. Die größte akustische Gefahr besteht dann, wenn beispielsweise eine dünnwandige Kassette als Fassadenelement bei Winddruck oder ein Wandelement eines Containers, einer Transportbox oder einer glatten Trennwand im Fahrzeugbereich bei dynamischer Belastung, wie beim Beschleunigen oder Bremsen, aus einer leichten Vorkrümmung heraus durchschlägt und somit stark dröhnt. Aus diesem Grund werden nach Stand der Technik die Wandelemente häufig erheblich dicker und somit Material – und Energie aufwändiger ausgelegt und eingesetzt, als es aus statischen Steifigkeits- und Festigkeitsgründen eigentlich notwendig wäre. Ein Beispiel aus der analytischen Mechanik möge das veranschaulichen. Bei einer seitlich gelenkig, in einem starren Rahmen gelagerten und schwach vorgekrümmten, glatten Platte tritt bereits dann ein Durchschlag bei einer Flächenbelastung entgegen der Vorkrümmung auf, wenn die Höhe der Krümmung größer ist als lediglich die Hälfte der Wanddicke (Lit. Wolmir: „Biegsame Platten und Schalen”, Seite 101–104, Verlag VEB Verlag für Bauwesen Berlin, 1962). Bereits aus fertigungstechnischen Gründen, wie beim Abkanten sehr dünnwandiger Blechplatinen zu kassettenartigen Wandelementen, stößt man rasch an die Grenzen hinsichtlich der Relation von unvermeidlicher Unebenheit des Kassettenbodens zur Wanddicke. Das Einbringen von beispielsweise senkrecht zueinander angeordneten Sicken (zur Vermeidung dieser Unebenheit) ist aus Kosten- und Design-Gründen (Beeinträchtigung der Oberflächengüte des verwendeten vorbeschichteten oder auch nicht beschichteten Halbzeuges) häufig unerwünscht.
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Hilfreich könnte der Einsatz von 3d-strukturierten Flachmaterialien sein. Die Schwierigkeit besteht jedoch darin, dass mehrere sich bisher widersprechende Aspekte zu berücksichtigen sind:
Es werden mehrdimensionale Strukturen benötigt, die ein Bauteil aus dünnwandigem Material, insbesondere Blech, sowohl in Längs- als auch in Querrichtung eines Bauteils bei Biegebelastung hoch versteifen, um die Wanddicke gegenüber der glatten, d. h. nicht strukturierten, Wand drastisch reduzieren zu können. Das spricht für möglichst tiefe dreidimensionale Strukturen in der Wand des Bauteils (für ein großes Flächenträgheitsmoment und somit große Biegesteifigkeit). Wenn Leichtbaumaterialien, wie Aluminium, die über vergleichsweise geringe Dehngrenzen verfügen, und/oder wenn die Oberflächengüte des Ausgangsblechs nicht oder nur geringfügig bei der Verarbeitung (3d-Strukturierung und Kantungen) in Mitleidenschaft gezogen werden sollen, stoßen auch die bekannten besonders Werkstoff- und Oberflächen schonenden Verfahren und Prozesse an ihre Grenzen, wenn akustisch störende Durchschläge im späteren Betrieb ausgeschlossen werden sollen.
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Diese komplexen Zusammenhänge bzw. Anforderungen werden am Beispiel eines schallarmen und zugleich dünnwandigen Wandelementes eines Containers im Fahrzeugbereich bei dynamischer Fahrzeugbelastung oder eines schallarmen und zugleich dünnwandigen kassettenförmigen Wandelementes einer Außenfassade unter Winddruck oder Windsogbelastung deutlich. Ähnliche Anforderungen können in Bereichen wie beispielsweise Transportboxen, beschichteten oder unbeschichteten Wandelementen im Innen- und Außenbereich von Gebäuden, Nutzfahrzeugen, Schiffen und Apparate- und Maschinenverkleidungen sowie für Designanwendungen mit diffuser Lichtstreuung und Kaschierung von Oberflächenfehlern, wie Kratzer und Wellungen/Verzögen bei Sonneneinstrahlung und Hageleinschlag auftreten.
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Es sind strukturierte Bleche bekannt, bei denen höckerförmige Strukturen durch einen im Wesentlichen streckziehenden Umformprozess mit Hilfe von zwei mechanischen Formwerkzeugen, wie Formstempel und Formmatrize oder eines Formwerkzeuges und eines Wirkmediums, in eine Blechbahn eingeformt werden. Unbefriedigend sind hierbei zwei Effekte: Erstens lässt sich eine deutliche Verbesserung der Biegesteifigkeit einer mit Höckern ausgestatteten Blechplatine nicht erzielen, weil die Blechbereiche zwischen den Höckern eben bleiben und somit nur wenig zur Verbesserung der Biegesteifigkeit beitragen. Zweitens tritt bei der Herstellung der Höcker eine hohe Plastifizierung des Blechwerkstoffs auf, weil dabei eine erhebliche Vergrößerung der Ausgangsfläche stattfindet und somit eine örtliche Ausdünnung der Blechdicke auftritt. Dieser Ausdünnung des Blechwerkstoffs könnte man dadurch entgehen, dass das Blech beim Umformen gerafft wird bzw. überall nachfließen kann. Letzteres ist aber nicht möglich, wenn der Blechwerkstoff durch den Eingriff von herkömmlichen Formwerkzeugen quasi festhalten wird. Es sind ferner noppenartig geprägte Blechbahnen bekannt, die insbesondere als Wärmeabschirmbleche in Automobilen zur Anwendung kommen. Unbefriedigend ist hierbei, dass bei ihrer Herstellung in der Regel geometrisch vorgegebene Formwerkzeuge, wie eine noppenförmige Prägewalze, zum Einsatz kommen. Hierbei wird der Blechwerkstoff durch den flächigen, mechanischen Kontakt mit den Formwerkzeugen stark plastifiziert. Die Oberflächengüte des Ausgangsbleches wird erheblich in Mitleidenschaft gezogen, und schließlich ist der erzielte Biegesteifigkeitsgewinn gegenüber dem glatten Blech noch nicht befriedigend. Es existieren hierbei keine Hinweise zu den eingangs genannten sich widersprechenden Aspekten hinsichtlich tiefer 3d-Strukturen, Schonung von Werkstoff/Oberfläche und Vermeidung von Durchschlägen im späteren Betrieb.
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Es sind beul- bzw. wölbstrukturierte Materialbahnen bekannt. Diese können viereckige (
EP 0693008 A1 ), vorzugsweise sechseckige (
EP 0900131 A1 ) oder wappenförmige (
EP 0888208 A1 ) Strukturen besitzen, die aus Falten (mit engen Radien) und Mulden zusammengesetzt sind. Diese strukturierten Materialbahnen entstehen insbesondere auf der Basis einer kontrollierten Selbstorganisation. Deshalb wird der Bahnwerkstoff bei ihrem Strukturierungsprozess zwar erheblich weniger plastifiziert als bei den oben genannten, mittels mechanischer Formwerkzeuge arbeitenden, Strukturierungsprozessen. Diese bekannten beul- bzw. wölbstrukturierten Materialbahnen besitzen jedoch noch eine werkstoffliche sowie eine prozessbedingte Inhomogenität. Werkstoffliche Inhomogenität: Der Werkstoff der Materialbahn wird beim Strukturieren im Bereich der Falten (charakterisiert durch enge Radien der Falten) mehr plastifiziert als im Bereich der Mulden. Somit bleiben die großen Pastifizierungsreserven des Werkstoffes im Bereich der Mulden noch ungenutzt, wenn ein primäres Ziel darin besteht, eine große Formsteifigkeit zu erreichen. Es erscheint zunächst naheliegend, die Plastifizierungsreserven im Bereich der Mulden dafür zu verwenden, dass mittels herkömmlicher mechanischer Formwerkzeuge tiefere Strukturen quasi ausgeformt werden, um die Formsteifigkeit, insbesondere Biegesteifigkeit, weiter zu steigern. Das ist jedoch nicht ohne Weiteres möglich, weil dabei durch Zugkräfte (wie beim Streckziehen) der Bahnwerkstoff auch im Bereich der Falten erheblich gedehnt und somit die Wanddicke im Bereich der Falten reduziert würde. Auf diese Weise würde trotz Erhöhung der Strukturtiefen (für ein größeres Flächenträgheitsmoment) ein beträchtlicher Teil des maximal möglichen Steifigkeitsgewinns wieder zunichte gemacht werden. Es existieren in diesen Patentschriften keine Hinweise zu den eingangs genannten sich widersprechenden Aspekten hinsichtlich tiefer 3d-Strukturen, Schonung von Werkstoff/Oberfläche und Vermeidung von Durchschlägen im späteren Betrieb.
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Bekannt ist ferner ein Verfahren zur Beulverformung dünner Wände und Folien (
DE 43 11 978 C1 ), wobei die Tiefe der Beulen beim elastischen Beulen quasi selbstständig eingestellt wird und im Wesentlichen durch die Größe der Beulen und durch den Krümmungsradius der aufgewickelten Spirale (entspricht sinngemäß der Stützelementwalze in den späteren Patentschriften der Dr. Mirtsch GmbH) bestimmt wird (
DE 43 11 978 C1 , Beschreibung Reihe 2, Zeilen 29 bis 32). Hierbei muss man aus geometrischen Gründen zur Erzeugung einer tiefen Beulmulde eine sehr große Beulfläche (gekennzeichnet z. B. durch eine vier- oder sechseckige Beulfläche in der Materialbahn) wählen. Das ist aus konstruktiven oder optischen Gründen bei späteren praktischen Anwendungen der beulstrukturierten Materialbahn in Fertigbauteilen häufig unerwünscht. Es existieren in dieser
DE 43 11 978 C1 keine Hinweise zu den eingangs genannten sich widersprechenden Aspekten hinsichtlich tiefer 3d-Strukturen, Schonung von Werkstoff/Oberfläche und Vermeidung von Durchschlägen im späteren Betrieb.
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Bekannt ist ferner ein Bauteil aus einem Flachmaterial und ein Verfahren zu seiner Herstellung gemäß Patentanmeldung
DE 10 2006 055 657 A1 ,
WO 2008/062263 A1 . Hierbei wird „das Flachmaterial mit einer Verformungsstruktur versehen, die sich nach Art einer Pressung teilweise senkrecht zur Mittelfläche erstreckt. Dabei erfolgt die Druckaufbringung vorzugsweise hauptsächlich über elastomere Wirkmedien, wobei zur Strukturierung ein beispielsweise aus modularen Einzelelementen aufgebautes Werkzeug zum Einsatz kommt” (
WO 2008/062263 A1 , Text aus der Zusammenfassung). Nachteilig sind hierbei zwei Effekte: Erstens wird das Flachmaterial durch ein ebenes oder nur schwach gekrümmtes und mit den Negativ-Konturen der herzustellenden Struktur ausgestattetes Formwerkzeug großflächig gegen das zu strukturierende Flachmaterial gedrückt, wodurch das Flachmaterial großflächig fixiert und somit quasi eingesperrt wird. Dadurch tritt beim Strukturieren im Wesentlichen insgesamt ein Streckvorgang auf, wobei eine erhebliche Vergrößerung der Ausgangsfläche des Flachmaterials auftritt und somit, insbesondere auch im Bereich der gebildeten Falten, der Werkstoff erheblich plastifiziert und die Wanddicke reduziert werden. Zweitens können bei dem in
WO 2008/062263 A1 beschriebenen Pressprozess nicht die Vorteile einer energie- und materialschonenden Strukturierung, die auf Basis einer kontrollierten Selbstorganisation gefunden wurde, zur Geltung kommen; denn die geometrischen Größen für die Krümmung des Werkzeuges, die Stützabstände der Stützelemente (in
WO 2008/062263 A1 entsprechend den Zellbiegerändern) und die Dicke des Flachmaterials entsprechen nicht den Parametern, die eine Beul- bzw. Wölbstrukturierung, vorzugsweise auf der Basis einer kontrollierten Selbstorganisation, ermöglichen. Es existieren in dieser
WO 2008/062263 A1 keine Hinweise zu den eingangs genannten sich widersprechenden Aspekten hinsichtlich tiefer 3d-Strukturen, Schonung von Werkstoff/Oberfläche und Vermeidung von Durchschlägen im späteren Betrieb.
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Ferner sind dreidimensional wellenförmige Strukturen (
DE 10 2005 041 516 A1 ) bekannt, wobei eine hexagonale Struktur jeweils aus 6 gerundeten Teilflächen, so genannten Wülsten, und einer von diesen 6 Wülsten eingeschlossenen Kalotte zusammengesetzt ist. Die Wülste besitzen im Gegensatz zu den oben genannten Falten (mit engem Radius der Beul- bzw. Wölbstrukturen) eine deutlich sanftere und somit werkstoffschonendere Rundung und weisen eine entgegengesetzte Krümmung wie die der Kalotten auf. Deshalb werden diese Strukturen auch dreidimensional wellenförmige Strukturen genannt. Diese dreidimensional wellenförmigen Strukturen können ebenfalls selbstbildend entstehen, wobei eine Materialbahn durch eine Druckbeaufschlagung auf eine ihrer Seiten über eine elastische Zwischenlage gegen die, auf der anderen Seite der Materialbahn angeordneten, Stützelemente gedrückt wird und das Stützelement und die an die Kontur dieses Stützelementes angedrückte elastische Zwischenlage die Bildung der Wülste und Kalotten erzeugt (aus dem Hauptanspruch der
DE 10 2005 041 516 A1 ). Es können auch starre Stützelemente auf einem Kern oder in einem Werkzeug verwendet werden, deren Kontur dem Wulst der dreidimensional wellenförmig strukturierten Materialbahn angepasst ist (sinngemäß aus
DE 10 2005 041 516 B4 , insbesondere Anspruch 5). Es existieren in dieser
DE 10 2005 041 516 A1 keine Hinweise zu den eingangs genannten sich widersprechenden Aspekten hinsichtlich tiefer 3d-Strukturen, Schonung von Werkstoff/Oberfläche und Vermeidung von Durchschlägen im späteren Betrieb.
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Ferner wird in der
DE 10 2004 044 550 B4 ein Verfahren für wabenförmig strukturierte, energieabsorbierende Verstärkungs- und Knautschschale für schalenförmige Karosserieteile zum Schutz von Fußgängern bekannt, bei dem eine gekrümmte Materialbahn über im Abstand zueinander angeordneten Stützelementen abgestützt wird und bei dem an der gegenüberliegenden Seite ein Verformungsdruck so aufgebracht wird, dass sich eine Wandstruktur aus Beulfalten und -mulden einstellt und bei dem anschließend die so strukturierte, gekrümmte Materialbahn mit Hilfe von Rollen gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass beim Beulstrukturieren der Materialbahn der örtliche Verformungsdruck nur im mittleren Bereich der Materialbahn wirksam ist, so dass breite Ränder und breite Abschnitte der Materialbahn in ihrer Fertigungsrichtung eben bleiben und dann diese so partiell beulstrukturierte, stark konkav gekrümmte Materialbahn durch Andrücken von Rollen in eine schwach konkav gekrümmte Gestalt gerichtet wird und dann diese schwach konkav gekrümmte Materialbahn durch Andrücken von Rollen in eine schwach konvex gekrümmte und zugleich formstabile Gestalt umklappt, ohne dass dabei die Strukturfalten und/oder -mulden einknicken. In dieser
DE 10 2004 044 550 B4 wird das Umklappen d. h. Durchschlagen der Materialbahn für den Herstellungsprozess eines energieabsorbierenden schalenförmigen Karosserieteils gewollt herbeigeführt. In dem neuen Verfahren soll ein Durchschlagen aus akustischen Gründen im späteren Betriebsverhalten vollständig ausgeschlossen werden. Aus der
6 in der
DE 10 2004 044 550 B4 könnte der Fachmann zwar bereits tendenziell entnehmen, dass der Durchschlagweg S2 minus S1 im Falle einer gekrümmten beulstrukturierten Materialbahn geringer ausfallen kann als im Fall einer glatten gekrümmten Materialbahn (S2* minus S1*). Jedoch kann der Fachmann noch nicht zu erkennen, wie ein Durchschlag aus akustischen Gründen im späteren Belastungsfall einer Kassette oder eines ebenen Wandelementes vollkommen unterbunden werden könnte. Deshalb existiert in der
DE 10 2004 044 550 B4 noch kein Hinweis für die Lösung des Zielkonfliktes der eingangs genannten sich widersprechenden Aspekte hinsichtlich tiefer 3d-Strukturen, Schonung von Werkstoff/Oberfläche und Vermeidung von Durchschlägen im späteren Betrieb.
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Bekannt sind ferner einige sekundäre Umformverfahren für die oben genannten beul- bzw. wölbstrukturierten Materialbahnen, wie in der
DE 10 2009 049 573 B4 das verzugsfreie, d. h. der Struktur angepasste, Abkanten (im Folgenden auch Kanten anstatt Abkanten genannt). Hierbei weist die Größe der Raffung der Materialbahn in der Abkantung etwa den gleichen Betrag auf wie die Raffung der flächig strukturierten Materialbahn. Bekannt ist ferner das Werkstoff schonende Feinstrukturieren (für ein späteres dichtes Fügen) der Ränder von beul- bzw. wölbstrukturierten Materialbahnen (
DE 10 2008 056 521 B3 ), wobei der Übergang von den vergleichsweise größeren Wölbstrukturen (im Mittenbereich) verzugsfrei in kleinere Strukturen gestaltet wird. Ferner ist das verzugsarme, thermische Verbinden/Fügen von wölbstrukturierten Materialbahnen (
DE 10 2004 044 509 B4 ) bekannt, wobei die kompensatorische Eigenschaft (Dehnelastizität der strukturierten Materialbahn) beim thermischen Verbinden/Schweißen einer wölbstrukturierten Materialbahn mit beispielsweise einem starren Rahmen vorteilhaft genutzt werden kann. Mit anderen Worten: im Falle einer Ausdehnungsbehinderung infolge örtlicher Temperaturdifferenzen wie beim Schweißen werden, mit Hilfe der Dehnelastizität in Membranrichtung einerseits und der erhöhten mehrdimensionalen Biegesteifigkeit andererseits, die örtlichen Spannungsspitzen im Werkstoff quasi aufgefangen und so störende Wellungen/Verzüge in der Materialbahn vermieden oder zumindest stark reduziert. Ferner wird in der
DE 198 56 236 A1 ein Verfahren zum Richten mehrdimensional strukturierter Materialbahnen beschrieben, wobei die Schüsselung beulstrukturierter Materialbahnen mit schräg zur Bahnenlängsrichtung hintereinander bzw. nebeneinander angeordneten Beulstrukturen dadurch beseitigt wird, dass die Materialbahnen in Richtung der Beulstrukturen gebogen werden (aus der Zusammenfassung der
DE 198 56 236 A1 ). In den
DE 10 2009 049 573 B4 ,
DE 10 2008 056 521 B3 ,
DE 10 2004 044 509 B4 und
DE 198 56 236 A1 existieren keine Hinweise für die Lösung des Zielkonfliktes der eingangs genannten sich widersprechenden Aspekte hinsichtlich tiefer 3d-Strukturen, Schonung von Werkstoff/Oberfläche und Vermeidung von Durchschlägen im späteren Betrieb.
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Ferner wird in der
DE 10 2010 034 076 B3 ein Verfahren zum Herstellen einer strukturierten, geraden oder gekrümmten Materialbahn beschrieben, wobei die Materialbahn mit einer mehrdimensionalen Strukturierung, vorzugsweise mit einer dreidimensional wellenförmigen oder wölbförmigen Strukturierung, mit aneinander angeordneten Strukturen, vorzugsweise mit Wülsten oder Falten und von den Wülsten oder Falten eingeschlossenen Kalotten oder Mulden, versehen wird, wobei in oder schräg zur Laufbahnrichtung angeordnete, insbesondere zick-zackförmig konvex gekrümmte, Stützelemente und quer zur Laufbahnrichtung angeordnete Stützelemente partiell gegen die eine Seite der Materialbahn drücken, wobei konvex gerundete, angepasste Druckelemente, die vorzugsweise versetzt zwischen den Stützelementen angeordnet sind, gegen die andere Seite der Materialbahn drücken und die vorzugsweise Kalotten oder Mulden ausformen, wobei insbesondere durch eine biegende Umformung der Materialbahn die vorzugsweise Wülste oder Falten in Laufbahnrichtung dadurch gebildet werden, dass die Materialbahn nur partiell um die gekrümmten Stützelemente gebogen wird, wobei vorzugsweise die Materialbahn durch eine äußere Belastung von den gekrümmten Stützelementen weggebogen wird und so eine Hebelwirkung aufgebaut wird, wobei erstens ein partielles Umklappen in der Materialbahn erzeugt wird, zweitens sich die Materialbahn in Laufrichtung rafft, drittens die Materialbahn gegen die quer zur Laufrichtung der Materialbahn angeordneten Stützelemente im Wesentlichen sequenziell gedrückt wird und ausgeformte, vorzugsweise Wülste bzw. Falten auch quer zur Laufbahnrichtung in der Materialbahn gebildet werden und viertens vorzugsweise tief ausgeformte Kalotten bzw. Mulden gebildet werden, wobei die Wanddicke im Bereich der Wülste bzw. Falten im Wesentlichen unverändert bleibt (zitiert aus dem Anspruch 1 der
DE 10 2010 034 076 B3 ). Die Kontur der Stützelemente kann unter Ausnutzung einer Selbstorganisation gebildet werden (zitiert aus dem Anspruch 2 der
DE 10 2010 034 076 B3 ). Starre Stützelemente können auf einem Kern oder in einem Werkzeug angeordnet werden, deren Kontur vorzugsweise der Wulst der/des dreidimensional wellenförmig strukturierten- oder der Falte der/des wölbförmig strukturierten Materialbahn/Profils angepasst ist (zitiert aus dem Anspruch 3 der
DE 10 2010 034 076 B3 ). Die Kontur der gerundeten Druckelemente kann aus der Kontur von sich selbst anpassenden elastischen Druckelementen bei der Ausbildung der Kalotten bzw. Mulden gebildet werden (zitiert aus dem Anspruch 4 der
DE 10 2010 034 076 B3 ). Es können starre Druckelemente auf einem Kern oder in einem Werkzeug angeordnet werden, deren Kontur vorzugsweise der Kalotte der/des dreidimensional wellenförmig strukturierten oder der Mulde der/des wölbförmig strukturierten Materialbahn/Profils angepasst ist (zitiert aus dem Anspruch 5 der
DE 10 2010 034 076 B3 ). Bei der Verwendung von starren Stützelementen kann zwischen den starren Stützelementen und der Materialbahn zusätzlich eine elastische Schicht geführt werden, wodurch gleich oder zumindest nahezu gleich tiefe Wülste gebildet werden (zitiert aus dem Anspruch 6 der
DE 10 2010 034 076 B3 ). Hierdurch wird erreicht, dass, trotz der insbesondere tiefen Mulden oder Kalotten, eine Reduzierung der Wanddicke der Materialbahn im Bereich der Falten oder Wülste vermieden wird und eine nahezu isotrope – d. h. in mehreren Richtungen gleichmäßigere – Versteifung erzielt wird. Im Ergebnis ermöglicht dieses Verfahren (
DE 10 2010 034 076 B3 ) also eine Herstellung von deutlich höher und zugleich eher isotrop biegesteiferen Materialbahnen, als die traditionell tiefgezogenen/geprägten Höcker oder Noppen der 3d-Strukturen, und schont dabei erheblich mehr den Werkstoff (stark reduzierte Plastifizierung). Dieses in der
DE 10 2010 034 076 B3 beschriebene Verfahren ermöglicht zwar die Herstellung tief wölbförmig strukturierter Materialbahnen mit hoher Biegesteifigkeit, klammert aber insbesondere die Problematik der damit einhergehenden erhöhten Dehnelastizität bei einer Belastung in Normalen- bzw. Membranrichtung aus und kann deshalb auch keine qualitative und quantitative Antwort auf die Vereinbarkeit der eingangs genannten sich widersprechenden Aspekten hinsichtlich tiefer 3d-Strukturen, Schonung von Werkstoff/Oberfläche und Vermeidung von Durchschlägen im späteren Betrieb geben.
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Schließlich ist ein Verfahren zum Herstellen einer mehrdimensional strukturierten Materialbahn und Verwendung derselben in der
DE 10 2013 017 644 A1 beschrieben, wobei eine hohe allseitige Biegesteifigkeit bei vergleichsweise geringer Dehnelastizität erreicht wird und mittels Näherungsrechnung zu charakterisieren und gezielt einzustellen ist, sowie Anwendung als ein tief mehrdimensional strukturiertes, zylindrisch schwach konvex gekrümmtes Dachelement mit hoher Versteifung und reduziertem Durchschlagverhalten sowie für ein belastungsgerechtes Bauelement bei überlagerten Lastfällen (zitiert aus der Zusammenfassung) findet. Hinweis zur Unterscheidung: bei dem schwach gekrümmten Zylinderteilsegment als Dachelement wurde der Begriff „schwach” gekrümmt gewählt im Gegensatz zu einem üblichen komplett zylindrisch gekrümmten Rohr. In der
DE 10 2013 017 644 A1 handelt es sich um ein absichtlich gekrümmtes Bauteil für ein extrem formsteifes, freitragendes zylindrisches Dach, wobei die Relation von zylindrischer Höhe zur Wanddicke einen um Größenordnungen größeren Wert einnimmt und somit im krassen Gegensatz zur eingangs geforderten Relation mit einem Wert von kleiner als etwa 0,5 für eine schallarme, möglichst ebene Kassette bzw. Wand im Sinne der neuen Anmeldung steht. Es existieren also auch in
DE 10 2013 017 644 A1 keine Hinweise zu den eingangs genannten sich widersprechenden Aspekten hinsichtlich tiefer 3d-Strukturen, Schonung von Werkstoff/Oberfläche und Vermeidung von Durchschlägen im späteren Betrieb von beispielsweise Kassetten oder ebenen Wandelementen.
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Zum Verständnis und zur Klarstellung bzw. Unterscheidung von verwendeten Begriffen dürfte der folgende Hinweis hilfreich für den Leser sein: Wenn in der
DE 10 2010 034 076 B3 von den Begriffen „Zugkräften” und „kompensierenden Membran-Druckkräften” die Rede ist, stehen diese Begriffe in einem anderen Zusammenhang als die Begriffe „Zug- und Druckkräfte” und „Dehn- bzw. Membranelastizität” in der
DE 10 2013 017 644 A1 , wie im Folgenden begründet wird. In der der
DE 10 2010 034 076 B3 wird genannt: „Die Wanddicke der Materialbahn im Bereich der Wülste oder Falten bleibt trotz der auftretenden Zugkräfte durch den Eingriff der Druckelemente beim Ausformen der Kalotten oder Mulden deshalb etwa gleich, da beim örtlichen Umklappen von der Ausgangskrümmung in die Gegenkrümmung kompensierende Membran-Druckkräfte aufgebaut werden” (Zitate aus der Beschreibung der
DE 10 2010 034 076 B3 ). Damit beziehen sich die Begriffe „Zugkräfte” und „kompensierende Membran-Druckkräfte” ausschließlich auf örtliche umformtechnische Vorgänge zur Erzielung von besonders Werkstoff schonenden tiefen wölbförmigen Strukturen während der Strukturbildung. Die verwendeten Begriffe erlangen in dem Verfahren der
DE 10 2013 017 644 A1 eine andere Bedeutung, wobei es sich um eine hohe integrale Biegesteifigkeit bei gleichzeitig geringer integraler Dehnelastizität einer bereits strukturierten Materialbahn, d. h. zur Erreichung einer hohen belastungsgerechten Gesamtsteifigkeit (z. B. überlagerte Zug- und Biegebeanspruchung) des Bauteils, insbesondere in Abhängigkeit von Strukturtiefe einerseits und Wanddicke der Materialbahn andererseits, handelt.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer mehrdimensional strukturierten Materialbahn für dünnwandige ebene Wandelemente und Kassetten zu finden, die zu einer Lösung der sich bisher widersprechenden Aspekte hinsichtlich tiefer 3d-Strukturen, Schonung von Werkstoff/Oberfläche und Vermeidung von Durchschlägen im späteren Betrieb führen kann.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Herstellen einer mehrdimensional strukturierten Materialbahn für dünnwandige ebene Wandelemente, nach dem Anspruch 1 und durch Verwendung derselben nach dem Anspruch 11.
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Diese Aufgabenstellung wird nach der Erfindung durch die folgenden einzelnen Merkmale gelöst, wobei alle Merkmale miteinander verknüpft sind:
Eine Materialbahn wird in einem primären Strukturierungsschritt mit regelmäßig angeordneten 3d-Strukturen, vorzugsweise auf besonders Werkstoff- und Oberflächen schonende Weise mit beul- bzw. wölbstrukturierten, insbesondere tief wölbstrukturierten, ausgestattet. Diese werden durch, im Wesentlichen biegende, Umformungen der dünnwandigen Materialbahn aus einer zylindrischen Vorkrümmung heraus mit Hilfe von linienförmigen Stützelementen auf der konkaven Seite der Materialbahn und Wirkdruck auf der konvexen Seite der Materialbahn gebildet. Ein Vorteil besteht darin, dass derartige mehrdimensionale Strukturierungen nach dem Energieminimierungsprinzip in der Materialbahn in der Weise gebildet werden, dass die Materialbahn von der konvexen Krümmung (entspricht etwa der Krümmung der späteren Falten bzw. Wülste) örtlich in eine Gegenkrümmung in sich bildenden Mulden bzw. Kalotten umklappt („ploppt”), wobei sich die Mulden bzw. Kalotten vorzugsweise versetzt zu einer gleichmäßigen Struktur, wie einer Hexagonal-Struktur anordnen (
EP 0900131 ;
EP 0888208 ). Beim Strukturierungsprozess können anstatt eines Wirkmediums gerundete Druckelemente gegen die Materialbahn drücken, wodurch deutlich tiefere Mulden bzw. Kalotten gebildet werden können, ohne dass dabei die Wanddicke im Bereich der Falten bzw. Wülste ausgedünnt wird, wobei allerdings die Wanddicke der Materialbahn durch eine sanfte Art von örtlichem Streck- bzw. Tiefziehen etwas dünner wird (
DE 10 2010 034 076 B3 ). Da im späteren Bauteilgebrauch bei einer Belastung die Kraftlinien hauptsächlich entlang der Falten bzw. Wülste verlaufen, hat die moderate Ausdünnung im Bereich der tiefer gebildeten Mulden bzw. Kalotten nur geringen Einfluss auf die Steifigkeit und die Festigkeit des mehrdimensional strukturierten Bauteils. Bei der Biege- und Beulsteifigkeit überwiegt deutlich der Einfluss des großen Flächenträgheitsmoments im Falle der tiefen wölbstrukturierten oder tief wölbförmig strukturierten Materialbahn gegenüber der eher flach wölbstrukturierten Materialbahn. Allerdings nimmt bei den tief wölbstrukturierten und den tief wölbförmig strukturierten Materialbahnen die Dehnelastizität bei Zug- oder Druckbelastung in Normalen- d. h. Membranrichtung im Vergleich zu den eher flach wölbstrukturierten Materialbahnen zu (
DE 10 2013 017 644 A1 ,
10). Es zeigt sich ein Vorteil der wölbstrukturierten, tief wölbstrukturierten und tief wölbförmig strukturierten Materialbahn gegenüber einer herkömmlich geprägten Materialbahn hinsichtlich der günstigen Relation von vergleichsweise hoher Biegesteifigkeit und zunehmender Dehnelastizität, was sich insbesondere bei überlagerten Belastungen von Biege- und Normal-Belastungen vorteilhaft auswirkt. Andererseits ist es natürlich bei konventionell geprägten, 3d-strukturierten Materialbahnen, wie Blechen einfacher, eine eher isotrope – dafür aber vergleichsweise geringer formsteife und mehr ausgedünnte sowie deutlich mehr plastifizierte – Materialbahn zu erzeugen. Eine Schwierigkeit bei wölbstrukturierten, tief wölbstrukturierten und tief wölbförmig strukturierten Materialbahnen besteht nun darin, dass beim Strukturierungsprozess zwar eine gewollte Raffung der Materialbahn in ihrer Strukturierungsrichtung stattfindet, welche die quasi isotrope und somit Werkstoff- und Oberflächen schonende 3d-Strukturierung erst möglich macht, aber zugleich insbesondere im Bereich der seitlichen Ränder der Materialbahn eher ungewollt ebenfalls ein – wenn auch geringeres – Raffen der Materialbahn quer zu ihrer Strukturierungsrichtung auftritt. Das hat damit zu tun, dass quer zur Strukturierungsrichtung an den Rändern tendenziell ein Tiefziehen mit seitlichem Nachfließen des Werkstoffes der Materialbahn stattfindet, während im mittleren Bereich der Materialbahn der Werkstoff durch die seitlichen Eingriffe der Stützelemente quasi festgehalten wird und somit quer zur Strukturierungsrichtung tendenziell ein Streckziehen stattfindet. Als Ergebnis daraus können sich die 3d-Strukturen im Bereich der seitlichen Ränder der Materialbahn etwas tiefer ausbilden als in der Mitte der Materialbahn. Auf diesen Zusammenhang wurde bereits in früheren Patentschriften, wie in der
DE 198 56 236 A1 , des Anmelders des neuen Verfahrens hingewiesen. Erschwerend kommt hinzu, dass insbesondere durch eine variable Oberflächengüte der Materialbahn (und somit unterschiedlichen Reibwerten zwischen der Materialbahn und den Stützelementen bzw. Druckelementen), die gebildeten Strukturtiefen ebenfalls variabel ausfallen können. Als Resultat kann ungewollt, infolge der etwas tieferen 3d-Strukturen der Randbereiche der Materialbahn im Vergleich zu den etwas flacheren 3d-Strukturen im Mittenbereich der Materialbahn, eine schüsselartige Gestalt sowohl der Materialbahn als auch der abgelängten Platine gebildet werden, wobei die Höhe der Schüssel mit zunehmender Strukturtiefe zunehmen kann. Dabei sind natürlich tiefe 3d-Strukturen aufgrund ihrer hohen Steifigkeit, insbesondere Biegesteifigkeit durchaus erwünscht. Mit Hilfe eines sekundären Richtens der so strukturierten, dünnwandigen Materialbahn bzw. Platine kann man die Schüssel nicht beseitigen, wenn nicht die versteifenden Strukturen in Mitleidenschaft gezogen werden sollen.
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Gemäß der Erfindung wurde nun aufgezeigt, dass diese ungewollte Schüssel mit Hilfe der im Folgenden beschriebenen und begründeten sekundären Umformschritte soweit beseitigt oder zumindest abgemindert werden kann, dass in Kombination mit den charakteristischen Eigenschaften 3d-strukturierter, insbesondere wölbstrukturierter, vorzugsweise tief wölbstrukturierter oder tief wölbförmig strukturierter Materialbahnen, beispielsweise ein dünnwandiges, kassettenförmiges, 3d-strukturiertes Bauteil bzw. Wandelement, das bisher aus akustischen Gründen in seiner Wandstärke deutlich überdimensioniert ausgelegt und eingesetzt wurde, trotz deutlich reduzierter Wandstärke bei einer späteren dynamischen Bauteilbelastung keinen akustisch störenden Durchschlag mehr zuläßt.
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In den Randbereichen der Materialbahn werden Feinstrukturen, vorzugsweise durch eine biegende Umformung gebildet, wobei die Raffungen der Feinstrukturen den Raffungen der dreidimensional strukturierten Materialbahn angepasst werden. Das Einbringen der Feinstrukturen erfolgt vorzugsweise mit Hilfe von einer wellenförmig strukturierten Oberrolle und einer entsprechend wellenförmig strukturierten Unterrolle, die gleichmäßig und kontinuierlich gegen die Ränder der 3d-strukturierten Materialbahn bzw. Platine drücken. Diese Zusammenhänge sind bereits beispielsweise in der
DE 10 2008 056 521 B3 beschrieben. Alternativ können anstatt der strukturierten Rollen auch wellenförmig oder gezahnte gerade Stangen, die wie ein Stempel und eine Matrize mit Hilfe einer Presse gegen die Ränder der Materialbahn bzw. Platine gedrückt werden. Allerdings kann hierbei der Werkstoff der Materialbahn bzw. Platine deutlich mehr plastifiziert und örtlich viel stärker gelängt werden, um dieselbe Raffung zu erzielen wie im Mittenbereich der 3d-strukturierten Materialbahn bzw. Platine. Der Grund dafür liegt darin, dass im Falle der gezahnten, geraden Stangen der Werkstoff der Materialbahn während eines Pressenhubes quasi eingesperrt wird und nicht so gut in Fein-Strukturierungsrichtung nachfließen kann, wie im Falle der abrollenden strukturierten Rollen. Experimentelle Untersuchungen haben das gezeigt. Die Feinstrukturen, deren Strukturhöhe bei Anwendung der wellenförmig strukturierten Rollen in etwa lediglich der Wandstärke der 3d-strukturierten Materialbahn bzw. Platine gebildet werden können, bieten bessere Möglichkeiten für ein sekundäres mechanisches und/oder klebendes Fügen als die deutlich tieferen 3d-Strukturen. Jedoch könnte man auf das Einbringen der Feinstrukturen gegebenenfalls dann verzichten, wenn das Ziel ausschließlich darin besteht, die störende Schüssel im dünnwandigen Bauteil zu beseitigen oder zumindest in ihrer akustischen Wirkung drastisch zu mindern.
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Im folgenden Schritt werden nach der Erfindung die Ränder der dünnwandigen Materialbahn durch Werkzeugeingriffe versteift und gleichzeitig so gestreckt, dass infolge der gebildeten Längendifferenzen der Ränder gegenüber dem schüsselartigen Mittenbereich der Materialbahn – exakter ausgedrückt: der Projektionsfläche der Materialbahn, d. h. der lichten Fläche – sich die Materialbahn verwindet und dabei die Ränder der Materialbahn aus einer einheitlichen ebenen Fläche in eine räumliche Anordnung gebracht werden. Mit anderen Worten: die etwas gestreckten Ränder heben sich etwas senkrecht nach oben bzw. nach unten an den Ecken der Materialbahn ab, wie es in ähnlicher Weise bei asymmetrisch kalt-gewalzten Feinblechen mit sogenannten „langen Rändern” zu beobachten ist. Die Werkzeugeingriffe können in der Gestalt von Kantwerkzeugen, wie geradliniges Messer (Stempel) und Matrize in einer Gesenkbiegepresse oder in einer Schwenkbiegemaschine erfolgen. Vorzugsweise drücken die Kantwerkzeuge, die in Längsrichtung der Ränder der Materialbahn bzw. Platine positioniert werden, quer zu den bereits wellenförmig eingeformten Feinstrukturen ein, wobei im Bereich der Kantungen die Wellen nicht nur gebogen, sondern ganz von selbst auch örtlich etwas aufgebogen und damit gestreckt werden. Durch Wahl der Rundungen der Kantwerkzeuge und der Biegekräfte lassen sich die gewünschte Streckung der feinstrukturierten Ränder der Materialbahn bzw. Platine und des Kantwinkels, in der Regel 90°, einstellen. Das haben experimentelle Untersuchungen gezeigt. Anstatt der kantenförmig umgeformten Ränder können auch sickenförmige Nebenformelemente in den Rändern der Materialbahn bzw. Platine so eingebracht werden, dass die Ränder versteift und wie gewünscht gestreckt werden. Das kann allerdings einen höheren apparativen Aufwand mit einer größeren Umformenergie erfordern. Das Einbringen von Nebenformelementen ist dem Fachmann bekannt und wird deshalb hier nicht näher beschrieben. Hierbei ist lediglich darauf zu achten, dass die gewollte Streckung der Ränder der 3d-strukturierten Materialbahn bzw. Platine durch das Einbringen so erfolgt, dass dabei die 3d-Strukturen im Bereich der Ränder so eingedrückt bzw. eingeebnet werden, dass die gewünschte Streckung der Ränder der 3d-strukturierten Materialbahn bzw. Platine gebildet wird. Die konkrete Ausgestaltung und Formung derartiger versteifenden Nebenformelemente hängt insbesondere vom Werkstoff der Materialbahn bzw. Platine, der Gestalt der 3d-Strukturen und von der Raffung (vor dem Einbringen der Nebenformelemente) ab. Im letzten Schritt werden nach der Erfindung die Ränder der Materialbahn oder Platine gegen eine ebene Auflage oder einen Rahmen gedrückt, wobei die Ränder der Materialbahn oder Platine aus ihrer räumlichen Anordnung in eine gemeinsame ebene Anordnung gebracht werden. Hierbei können geringe Kräfte zum Andrücken der Ränder ausreichen, beispielsweise das Eigengewicht einer dünnwandigen Platine, das auf eine horizontale Auflage drückt. Dabei entstehen infolge der versteiften Rahmen erstens quasi Spreizungskräfte in den Normalen-Richtungen, d. h. Membran-Richtungen der 3d-strukturierten Platine, da die versteiften Rahmen in der gemeinsamen ebenen Anordnung eine etwas größere Projektionsfläche zur ebenen Auflagefläche bilden als zuvor in der räumlichen Anordnung der Rahmen. Zweitens wird der schwach schüsselförmige Mittenbereich der Platine tendenziell in die ebene Gestalt gebogen. Beide Effekte führen dazu, dass der schwach schüsselförmige Bereich der Platine in eine ebene Gestalt gebracht wird und allenfalls eine flache Rest-Schüssel übrig bleibt. Man könnte nun erwarten, dass sogar eine flache Rest-Schüssel bei einer späteren Belastung des eingebauten Bauteils, wie eine dünnwandige Kassette oder ein Wandelement, zu einem unerwünschten Durchschlag führen könnte, der akustisch stört. Zu Beginn der Beschreibung wurde bereits darauf hingewiesen, dass im Falle einer glatten, gelenkig, seitlich fixierten und schwach vorgekrümmten Platte bereits eine Vorkrümmung von etwas mehr als 50% der Materialstärke der Platte ausreicht, um einen Durchschlag herbeizuführen (Lit. Wolmir: „Biegsame Platten und Schalen”, Seite 104, Verlag VEB Verlag für Bauwesen Berlin, 1962). Nach der Erfindung ist das aber nicht der Fall, wenn anstatt einer glatten eine 3d-strukturierte, vorzugsweise eine wölbstrukturierte, insbesondere eine tief wölbstrukturierte oder eine tief wölbförmig strukturierte Materialbahn oder Platine zur Anwendung kommt. Der Grund hierfür liegt in der hohen Biegesteifigkeit und der zunehmenden Dehnelastizität in Normalen-Richtungen der 3d-strukturierten Materialbahn bzw. Platine. Hierdurch dominieren bei geringen Deformationen die linearen Terme für die Biegung gegenüber den kubischen Termen für die Normalen-Belastung (Lit. Wolmir: „Biegsame Platten und Schalen”, Seite 101–104, Verlag VEB Verlag für Bauwesen Berlin, 1962). Ein Anwendungsbeispiel soll das als Näherungsrechnung und etwas abgewandelt als Experiment später mit Hilfe der 5 und der 6 nachvollziehbar machen. In der Näherungsrechnung werden sogenannte Ersatzkenngrößen für die Biegung und die Dehnelastizität von tief wölbstrukturierten Platten im Gegensatz zur glatten Platte verwendet.
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Bei einer Fortbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wülste oder Falten gemäß einer oder einer Kombination mehrerer geometrischer Grundformen aus der folgenden Gruppe von geometrischen Grundformen zusammenhängend gebildet sind: Dreieck, Viereck, insbesondere Quadrat, Rechteck, Raute oder Parallelogramm, Fünfeck, Sechseck (Hexagon) und Achteck.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Strukturierung eine selbstorganisierende Strukturierung ist. Dabei entstehen die Mulden bzw. Kalotten sowie die Falten bzw. Wülste besonders materialschonend.
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Die Ausgestaltung der mehrdimensionalen Strukturen kann nach der Erfindung vorzugsweise auch mit Hilfe von geometrisch angepassten Stützelementen, beispielsweise auf einer Walze oder Rolle im kontinuierlichen Betrieb mit Hilfe von geometrisch angepassten Formwerkzeugen, wie Stempel und Matrize oder Stempel und Wirkmedium, insbesondere Elastomer oder fluidisches Medium, erfolgen.
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Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die strukturierte Materialbahn einen Werkstoff oder eine Kombination von Werkstoffen, ausgewählt aus der folgenden Gruppe von Werkstoffen bzw. Materialien, ist: Metalle aller Art, insbesondere auch Aluminium-Legierungen, Kunststoff, faserige Stoffe, insbesondere Papier und Pappe, Fasergewebe und Maschengewebe.
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Erfindungsgemäß können Materialbahnen oder Platinen, die gemäß des Verfahrens hergestellt werden für die folgenden Anwendungen verwendet werden, wie dünnwandige und schallarme Wandelemente für Transportboxen, Container, beschichtete oder unbeschichtete Kassetten-/Versteifungselemente im Innen- und Außenbereich von Gebäuden, dünnwandige Wand-, Boden- oder Dachelemente für Fahrzeuge, Schiffe und Apparate- und Maschinenverkleidungen sowie für Designanwendungen mit diffuser Lichtstreuung und Kaschierung von Oberflächenfehlern, wie Kratzer und Wellungen/Verzögen bei Sonneneinstrahlung und Hageleinschlag.
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Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele:
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
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1 zeigt schematisch im oberen Teil den Querschnitt einer mehrstufigen Vorrichtung zur Anwendung des Verfahrens, in der ersten Stufe (links im oberen Teil) zur Herstellung einer hexagonal wölbstrukturierten Materialbahn und in der nächsten Stufe (rechts im oberen Teil) zur Herstellung der seitlichen, wellenförmigen Feinstrukturen mit einer Ablängung zur Platine, und im unteren Teil den Querschnitt der horizontal um 90° gedrehten Platine zur Herstellung der seitlichen, wellenförmigen Feinstrukturen mit anschließendem Richten,
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2 schematisch die Draufsicht auf eine wölbstrukturierte Platine mit einem schüsselförmigen Mittenbereich und feinstrukturierten Rändern sowie Querschnitte der Platine in beiden Membran-Richtungen,
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3 schematisch eine Vorrichtung zur Anwendung des Verfahrens zum Herstellen einer Kantung im Bereich der Feinstrukturen der Platine im Bild links, eine Draufsicht auf den Randbereich der Platine mit den Feinstrukturen und der Position für die Kantung im Bild Mitte, den Querschnitt im Bereich der Feinstrukturen vor der Kantung mit der Höhe der Feinstrukturen im Bild halb rechts und den Querschnitt im Bereich der Feinstrukturen nach der Kantung mit der Höhe der Feinstrukturen und der daraus resultierenden Streckung der feinstrukturierten Randes im Bild rechts,
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4 schematisch die perspektivische Draufsicht auf eine wölbstrukturierte und allseitig feinstrukturierte Platine mit einem gekanteten, feinstrukturierten Rand und Verwindung der Platine,
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5 schematisch im oberen Bild die perspektivische Draufsicht auf eine verwundene Platine mit steifen Rändern und nach Andrücken derselben Platine gegen eine plane Auflage sowie im unteren Bild die senkrechte Projektionsfläche der verwundenen Platine und der angedrückten Platine,
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6 schematisch die Draufsicht auf eine wölbstrukturierte Platine mit allseitiger, zweifacher Kantung der feinstrukturierten Ränder sowie die Querschnitte in beiden Normal-Richtungen,
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7 schematisch die Draufsicht auf eine wölbstrukturierte Platine mit eingeformten Nebenformelementen in den Rändern der Platine sowie die Querschnitte in beiden Normal-Richtungen,
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8 das Belastungs-Durchbiegungs-Diagramm für einen glatten Plattenstreifen mit Anfangsausbiegung entgegen der Belastungsrichtung, bei gelenkiger Randlagerung (Lit: Wolmir: „Biegsame Platten und Schalen”, Seite 103, , Verlag VEB Verlag für Bauwesen Berlin, 1962),
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9 das Belastungs-Durchbiegungs-Diagramm für einen glatten Plattenstreifen mit Anfangsausbiegung entgegen der Belastungsrichtung, bei gelenkiger Randlagerung mit Durchschlagen (durchgezogene Linien 8) sowie für einen entsprechenden wölbstrukturierten Plattenstreifen in Strukturierungsrichtung (Strich-Punkt-Linie) mit reduziertem Durchschlagen,
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10 das Belastungs-Durchbiegungs-Diagramm für einen glatten Plattenstreifen mit Anfangsausbiegung entgegen der Belastungsrichtung, bei gelenkiger Randlagerung mit Durchschlagen (durchgezogene Linien 8) sowie für einen entsprechenden wölbstrukturierten Plattenstreifen quer zur Strukturierungsrichtung (Strich-Punkt-Linie) mit reduziertem Durchschlagen.
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11 ein Belastungs-Durchbiegungs-Diagramm aus dem Experiment beispielhaft für eine tief wölbstrukturierte Kassette analog 6 aus Aluminiumblech ohne Durchschlagverhalten.
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1 zeigt schematisch eine integrierte, mehrstufige Vorrichtung zur Anwendung des Verfahrens zum Herstellen einer hexagonal wölbstrukturierten Materialbahn und einer Ablängung zur Platine mit wellenförmig feinstrukturierten Randbereichen. Die Materialbahn
1 wird zunächst zwischen eine Stützelementwalze
2, die mit Stützelementen
3 ausgestattet ist, und eine Druckwalze
4, die eine elastomere Schicht
5 enthält, geführt und so mit einer Druckbelastung beaufschlagt. Dadurch bilden sich die Wölbstrukturen mit ihren Mulden
6, ihren zick-zackförmigen Strukturfalten
7 in Laufrichtung (zu erkennen in der Draufsicht) und ihren Strukturfalten
8 senkrecht zur Laufrichtung der Materialbahn. Dadurch wird die Materialbahn
1 in ihrer Strukturierungsrichtung (Laufrichtung) etwas gerafft und im Bereich der Randbereiche quer zu ihrer Strukturierungsrichtung ebenfalls etwas gerafft. Der Betrag beider Raffungen nimmt mit zunehmender Wölbstrukturtiefe zu und führt dann tendenziell zu einer Schüsselbildung in der strukturierten Materialbahn. Die Raffungen können noch größer ausfallen, wenn anstatt der Wölbstrukturen noch tiefere wölbförmige Strukturen hergestellt werden. Die tief wölbförmigen Strukturen werden, wie aus der
DE 10 2010 034 076 B3 bekannt, mit Hilfe von Druckelementen, die auf der Druckwalze angeordnet sind, hergestellt. Auf eine explizite Darstellung wurde in der
1 verzichtet, da sie aus der
DE 10 2010 034 076 B3 bekannt ist. In der nächsten Stufe (in
1 oben Mitte) findet die Feinstrukturierung der beiden Randbereiche statt, um diese Ränder mit Hilfe der Feinstrukturen
11 etwa so zu raffen wie den wölbstrukturierten Mittenbereich der Materialbahn. Hierzu wird die wölbstrukturierte Materialbahn in dem sekundären Feinstrukturierungsprozess zwischen zwei wellenförmig strukturierte Stützelementwalzen
9,
10 geführt. Dann wird die strukturierte Materialbahn mit Hilfe von oberen Richtrollen
12 und unteren Richtrollen
13 etwa in eine Planlage gebracht und durch beispielsweise eine Schlagschere
14 abgelängt (in
1 oben rechts). In
1 unten wird eine strukturierte Platine (abgelängt von der Materialbahn in
1 oben) horizontal um 90° in ihre Querrichtung gedreht und durch zwei wellenförmig strukturierten Stützelementwalzen
15,
16 an den seitlichen Rändern mit Feinstrukturen
17 ausgestattet und mit Hilfe von oberen Richtrollen
18 und unteren Richtrollen
19 etwa in eine Planlage gebracht. Jedoch kann die Platine noch einen schüsselförmigen Mittenbereich aufweisen, der in
2 dargestellt wird.
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In der 2 wird schematisch im Bild oben links die Draufsicht auf eine gemäß 1 hergestellte strukturierte Platine 20 mit den Falten bzw. Wülsten 7 in Wolbstrukturierungsrichtung (L), den Falten bzw. Wülsten 8 quer zur Wolbstrukturierungsrichtung (B), und den Mulden bzw. Kalotten 6 im Mittenbereich sowie mit den Feinstrukturen 11 in Wolbstrukturierungsrichtung (L) und den Feinstrukturen 17 quer zur dargestellt. Aus dem Querschnitt A-A im Bild unten links ist die Höhe der Schüssel ΔHL erkennbar. Aus dem Querschnitt B-B im Bild rechts ist die Höhe der Schüssel ΔHB erkennbar.
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In der 3 wird schematisch eine Vorrichtung zur Anwendung des Verfahrens zum Herstellen einer Kantung im Bereich der Feinstrukturen 11, 17 der Platine 20 mit Hilfe eines üblichen (d. h. nicht strukturierten) Stempels 21 und Matrize 22 im Bild links vorgenommen. Die Draufsicht zeigt den Randbereich der Platine 20 mit den Feinstrukturen 11, 17 (vor der Kantung) und die Position C-C für den Stempel 21 im Bild Mitte. Der Querschnitt C1-C1 zeigt den Bereich der Feinstrukturen 11, 17 vor der Kantung mit der Höhe der Feinstrukturen h1 im Bild halb rechts. Der Querschnitt C2-C2 zeigt den im Bereich der Feinstrukturen 11, 17 nach der Kantung mit der etwas reduzierten Höhe der Feinstrukturen h2 und der daraus resultierenden Streckung der feinstrukturierten Randes L + ΔL im Bild rechts.
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In der 4 wird schematisch die perspektivische Draufsicht auf eine wölbstrukturierte und an den Rändern allseitig wellenförmig feinstrukturierte Platine 20 mit einem ersten gekanteten, feinstrukturierten Rand 11 dargestellt. Infolge des geraden (da durch die Kantung versteift) und etwas gestreckten Randes 11 (siehe 3 Bild rechts) verwindet sich Platine 20.
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In der 5 wird schematisch im oberen Bild die perspektivische Draufsicht auf eine verwundene Platine 20 mit den steifen (infolge der Kantungen, in 5 nicht explizit dargestellt) Rändern der Längen L, B sowie nach Andrücken der Platine 23 mittels der äußeren Kraft F gegen eine plane Auflage (vereinfachend durch die Lagerungssymbole der Platine) dargestellt. Experimentelle Untersuchungen haben ergeben, dass im Falle einer tief wölbstrukturierten oder tief wölbförmigen Platine aus dünnwandigem Aluminiumblech (etwa 0,6 bis 0,8 mm dick) das Eigengewicht ausreicht, damit sich die verwundene Platine 20 von selbst an die ebene, horizontale Auflage anlegen kann (in 5 nicht explizit dargestellt). Im unteren Bild von 5 werden die senkrechte Projektionsfläche der verwundenen Platine 20 und der angedrückten, fast ebenen Platine 23 dargestellt. Infolge der etwas größeren Projektionsfläche der angedrückten Platine 23 wird die Schüssel zum großen Teil aus dem Mittelbereich der Platine 20 quasi herausgezogen. Das wird durch die vergleichsweise große Dehnelastizität von insbesondere tief wölbstrukturierten und tief wölbförmig strukturierten Materialbahnen bzw. Platinen oder Platten verschiedenster Art unterstützt (in 5 nicht explizit dargestellt).
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In der 6 wird schematisch die Draufsicht auf eine wölbstrukturierte Platine 20 mit allseitiger, zweifacher Kantung der feinstrukturierten Ränder 11, 17 im Bild oben links gezeigt. Die Querschnitte in beiden Normal-Richtungen D-D und E-E zeigen in den Bildern unten und rechts der 6 jeweils eine zweifache Abkantung zu einer Kassette oder einem versteiften Wandelement,
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In der 7 wird schematisch die Draufsicht auf eine wölbstrukturierte Platine 25 mit allseitig eingeformten Nebenformelementen 24 im Bild oben links gezeigt. Die Querschnitte in beiden Normal-Richtungen F-F und G-G zeigen in den Bildern unten und rechts der 6 jeweils das Nebenformelement 24 für beispielsweise ein versteiftes Wandelement 25.
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In der 8 wird das Belastungs-Durchbiegungs-Diagramm für eine ebene Platte mit Anfangsausbiegung entgegen der Belastungsrichtung (Lit: Wolmir: „Biegsame Platten und Schalen”, Seite 103, , Verlag VEB Verlag für Bauwesen Berlin, 1962) dargestellt, wobei die Abszisse den dimensionslosen Ausdruck der Relation von Durchbiegung f und Plattendicke h und die Ordinate den dimensionslosen Ausdruck für die Flächen-Last angibt. Die Parameter sind die Relation von Anfangsausbiegung fo und Plattendicke h. Aus diesem Diagramm folgt, dass bei einer ebenen, d. h. nicht strukturierten, Platte oberhalb der Relation von Anfangsausbiegung fo und Plattendicke h mit dem Betrag etwa 0,5 (exakt 0,577) ein Durchschlagen der Platte auftritt.
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In der 9 wird das Belastungs-Durchbiegungs-Diagramm für einen glatten Plattenstreifen mit Anfangsausbiegung fo entgegen die Belastungsrichtung, bei gelenkiger Randlagerung mit Durchschlagen (durchgezogene Linien analog 8) sowie für einen entsprechenden tief wölbstrukturierten Plattenstreifen in Strukturierungsrichtung (Strich-Strich-Linie) beispielhaft dargestellt. Bei der analytischen Näherungsrechnung wurden die Ersatzkenngrößen für die erhöhte Biegesteifigkeit und der vermehrten Dehnelastizität des tief wölbstrukturierten Plattenstreifens in Strukturierungsrichtung gegenüber dem glatten Plattenstreifen verwendet. Daraus ist das deutlich reduzierte Durchschlagverhalten des tief wölbstrukturierten Plattenstreifens in Strukturierungsrichtung gegenüber dem glatten Plattenstreifen zu erkennen.
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In der 10 ist das Belastungs-Durchbiegungs-Diagramm für einen glatten Plattenstreifen mit Anfangsausbiegung fo entgegen der Belastungsrichtung, bei gelenkiger Randlagerung mit Durchschlagen (durchgezogene Linien 8) sowie für einen entsprechenden wölbstrukturierten Plattenstreifen quer zur Strukturierungsrichtung (Strich-Strich-Linie) dargestellt. Auch hierbei ist das deutlich reduzierte Durchschlagverhalten des tief wölbstrukturierten Plattenstreifens in Strukturierungsrichtung gegenüber dem glatten Plattenstreifen zu erkennen.
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In der 11 ist ein Belastungs-Durchbiegungs-Diagramm aus dem Experiment für eine tief wölbstrukturierte Kassette analog 6 aus Aluminiumblech der Stärke ca. 0,8 mm und den Abmessungen Länge ca. 1 m und Breite ca. 0,8 m dargestellt. Es tritt kein Durchschlagen mehr auf.