BAUTEIL AUS EINEM FLACHMATERIAL UND VERFAHREN ZU SEINER

HERSTELLUNG

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Bauteil aus einem Flachmaterial mit einer zwischen zwei zueinander parallelen Hauptflächen gelegenen gedachten Mittelfläche, wobei das Flachmaterial entweder vollständig oder partiell mit einer regelmäßigen Verformungsstruktur versehen ist, die sich nach Art einer Pressung teilweise senkrecht zur Mittelfläche erstreckt. Derart ist die Verformungsstruktur in Hauptformrichtung senkrecht zur Mittelfläche eingebracht und wird im allgemeinen die für Beulmuster charakteristischen paraboli- sehen Vertiefungen gegenüber der Mittelfläche aufweisen, während die Beulränder zumindest teilweise gegenüber der Mittelfläche eine, gegen die Hauptformrichtung gerichtete, Erhabenheit besitzen.

Hintergrund der Erfindung Bauteile dieser Art sind beispielsweise aus der DE-C2-100 06 348 oder der DE-A1 -197 50 576 bekannt, wobei Letzteres ein Verfahren zur Herstellung von Beulstrukturen im Walzprozess beschreibt. Nach der DE-C2 dient die Verformungsstruktur im Wesentlichen zur Erhöhung der Steifigkeit des Flachmaterials, wobei jedoch dort die versteifende Wirkung durch konzentrische, im Tiefpunkt der Beule eingebrachte Gegenbeulen vermindert wird. Auch bei DE-297 12 622 U1 dient die Strukturierung der Versteifung des Flachmaterials. Eine derartige Steifigkeitserhöhung ist nach der DE-A1-197 50 576 vor allem für den Fahrzeugbau, aber prinzipiell auch für alle flächigen Bauteile, von Interesse.

Nachteilig an den bekannten Bauteilen ist, dass ihre Steifigkeitserhöhung bald an Gren- zen stößt. Daher liegt dieser Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Bauteil der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass es eine größere Steifigkeit aufweist.

Kurzfassung der Erfindung

Erfindungsgemäß erfolgt dies durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1. Dadurch ergibt sich eine Struktur, die nicht nur in Pressrichtung beulenartig ausgeführt ist, sondern auch entgegen der Pressrichtung gegenüber der Mittelfläche zumindest teilweise eine Erhabenheit in den Beulrändern aufweist. Beide Verformungen, also die

Beule in Kombination mit der Erhabenheit der Randzonen, ergeben einen höheren Widerstand gegenüber aufgebrachten Biegebeanspruchungen. Durch diese Kombination von Beulversteifung und der teilweisen Erhabenheit der Beulränder wird zudem die lokale Streckung des Flachmaterials im Bereich einer zu erzeugenden Beule erhöht, wodurch ein zusätzlicher Versteifungseffekt hervorgerufen wird.

Zudem ist für dieses Verfahren charakteristisch, dass durch die Erhabenheit des Beulrandes unter der Druckwirkung eine Streckung und leichte Biegung im Beulbereich erzeugt wird, was die lokale Instabilität erhöht und dazu führt, dass die Beulen bereits unter einer sehr geringen Druckwirkung mehr oder weniger spontan einspringen. Dieses reduziert im Vergleich zu Prägeverfahren die zur Strukturierung erforderlichen Presskräfte erheblich.

Weiterhin ist dieses Verfahren als Nebenformelement in an sich bekannten Tief- oder Streckziehoperationen usw. integrierbar und ermöglicht an das Strukturformfeld angrenzende, ebene Randzonen. Auch ermöglicht es ein nachträgliches, gegebenenfalls partielles, Weiterverformen von vorverformten Bauteilen. Die Bestimmung der erfindungsgemäßen optimalen Zellgröße erfolgt nach dem Prinzip des minimalen Energieaufwandes zur Beulenzeuguήg und kann auf Grundlage von Finite-Elemente-Analysen vorgenommen werden.

Flachmaterialien mit dieser Struktur haben darüber hinaus einen günstigeren Einfluss auf das Schwingungs- und Anströmverhalten, z.B. bei Lüftungskanälen.

Das Werkzeug für ein Strukturformfeld kann im Rahmen der Erfindung aus Modulen aufgebaut werden, die eine Flexibilisierung der Montage, eine Verringerung der Fertigungsaufwendungen und Verbesserung der Instandhaltung ermöglichen.

Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bautei- les, welches die Merkmale des Anspruches 6 aufweist.

Dabei kann im Rahmen der Erfindung die Presskraft zur Erzeugung der Beulen sowie der Erhabenheit der Beulrandzonen über elastische Wirkmedien (oder ähnliches) auf das Bauteil aufgebracht wird. Die gezielte Erzeugung lokaler Instabilitäten bewirkt zudem, dass die Beulen schlagartig in die Kavitäten des Werkzeuges einspringen und ihre Geometrie eigenständig (frei) und paraboloid ausformen, so dass nicht, wie bei einem Präge-

Vorgang, die Beulen in eine entsprechend geformte Kavität des Gegenwerkzeuges eingeformt werden.

Kurzbeschreibunq der Zeichnungen Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich an Hand der nachfolgenden Beschreibung von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:

Fig. 1a eine Perspektivansicht,

Fig. 1b eine Draufsicht,

Fig. 1c einen Schnitt nach der Linie A-A der Fig. 1b, und

Fig. 1d ein Detail B der Fig. 1c in größerem Maßstab eines erfindungsgemäßen Bautei- les;

Fig. 2a eine Perspektivansicht dreier Zellen an einem erfindungsgemäßen Bauteil in einer gegenüber Fig. 1a vergrößerten Darstellung, zu der die

Fig. 2b eine schematisierte Ansicht liefert, in welcher gewölbte, höhere Zeilbiegeränder strichliert, dagegen gerade, niedrigere Zeilbiegeränder mit vollen Linien dargestellt sind; an Hand der

Fig. 3a bis 3c soll an Hand von Schnittdarstellungen die Vorgangsweise nach dem Stande der Technik und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert werden, wobei Fig. 3a das unverformte Flachmaterial zeigt, Fig. 3b eine zellenartige Verformungsstruktur nach dem Stande der Technik, und Fig. 3c eine erfindungsgemäß hergestellte Verformungsstruktur veranschaulichen;

Fig. 4 zeigt einen möglichen Typ des im Rahmen der Erfindung verwendbaren Pressengestells zur Einbringung des Strukturfeldes;

Fig. 5 zeigt schematisch den Vorgang einer Tiefzieh-Hauptformgebung für das Bauteil mit einer gleichzeitigen Strukturverformung im Bereich des Tiefziehbodens;

Fig. 6 zeigt, an Hand einer leicht gekrümmten Formfeldstruktur, die Pressanordnung mit einer über eine Elastomerplatte erfolgende Druckaufbringung und einem mit

eingearbeiteten Kavitäten gemäß der zu erzeugenden Struktur versehenen Werkzeug boden (die Anordnung kann auch umgekehrt werden);

Fig. 7a stellt eine isometrische Ansicht eines modularen Eckbereichs-Aufbaues eines Formfeldstrukturwerkzeuges dar, welcher als Nebenformelement in bevorzugt verwendeten Tief- oder Streckziehwerkzeugen integrierbar ist, wozu

Fig. 7b eine Seitenansicht von links,

Fig. 7c eine Draufsicht, und

Fig. 7d eine Seitenansicht von oben veranschaulicht.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

Ein erzeugtes tiefgezogenes Bauteil 1 (Fig. 1a) besitzt einen glatten Flansch 2, während ein Strukturfeld 4 selbst, einschließlich der Erhebungen von Zeilbiegerändern 14, im Rahmen einer Tiefziehoperation in das Flachmaterial (Blech oder Kunststoff) als leicht erhabenes Nebenformelement 3 eingebracht wird. Die Verformungsstruktur 4 besitzt vorzugsweise die Form eines periodischen Gitters aneinander gereihter, beispielsweise hexagonaler, Zellen 5.

Hier sei gleich angemerkt, dass die Anordnung hexagonaler Zellen zwar bevorzugt ist, dass sich jedoch die Erfindung keineswegs darauf beschränkt. Denn es ist im Rahmen der Erfindung durchaus möglich, an Stelle eines zusammenhängenden Gitters auch über die tiefgezogene Bodenfläche des Bauteiles 1 verteilte einzelne, insbesondere zellenartige Verformungen vorzusehen, obwohl es natürlich klar ist, dass bei dem dargestellten vollständigen Gitter der Versteifungseffekt größer ist. Auch müssen Zellen gar nicht hexagonal sein, sondern können auch aus Dreiecken, Rechtecken, Doppeltrapezen, Rauten sowie aus rhomboiden, achteckigen, mit zwei einander gegenüberliegenden

Stegen gestreckte (also asymmetrische) Sechsecke etc. bestehen, und dies mit geraden oder geschwungenen Beulrändern, die die Vertiefungen umranden. Dabei können sich mit geschwungenen Stegen auch ästhetisch ansprechende Musterungen erzielen lassen. Auch Kombinationen mit unterschiedlich geformten Zellen oder Beulränder sind möglich.

Während also, wie ersichtlich, der Tiefziehboden die dreidimensionale Verformungsstruktur 4 enthält, behält das Material (Blech, es können auch Kunststoffe sein) im Tiefzieh-

flansch 2 (bedingt durch die Wirkung des Werkzeugniederhalters) seine ebene Form. Andererseits führen die in den Segmenten des Tiefziehwerkzeuges eingearbeitete Erhabenheiten zu einer überhöhung der Zeilbiegeränder 14.

In Fig. 2a und b sind drei der hexagonalen Zellen 5 zusammenhängend und vergrößert dargestellt. Die Anordnung der hexagonalen Zellen ist dabei zweckmäßig so, wie man das auch von Bienenwaben her kennt, denn so wird üblicherweise die größte Versteifung erreicht. Das Besondere dieser Ausführungsform ist aber der Aufbau der Einzelzellen. Liegt z.B. ein längsorientiertes Blechwerkstück vor, so werden üblicherweise die dia- gonalen Beulbegrenzungsstege in Längsrichtung, die Querstege rechtwinklig zur Längsachse orientiert. Die besondere Gestaltung der in den Fig. 2a, 2b dargestellten Zelle 5 besteht nun darin, dass die diagonalen Begrenzungsstege bzw. Zeilbiegeränder 14 mit der Hauptformrichtung entgegen gerichteten überbögen versehen sind, also gegenüber der Mittelfläche 8 zuzüglich der anteiligen Materialdicke 12 eine Erhabenheit aufweisen (Fig. 2b), während die Querstege 15 niedriger sind und keine überhöhungen aufweisen (Fig. 2b), also mit der Hauptfläche 7 des Flachmateriales abschließen. Die überhöhten diagonalen Zellbegrenzungsstege bilden also so eine Linie 16, nämlich eine Zick-Zack- Linie, welche sich über die gesamte strukturierte Formfeldfläche des Werkstückes 4 erstreckt und auch bereits in Fig.1a zu erkennen ist. Generell ist die Anordnung dieser Stege beliebig, vorzugsweise in Linienform, erzeugt aber in der Zick-Zack-Anordnung die größte Wirkung.

Die Fig. 3a zeigt die Lage der Hauptflächen 7, 9 des Flachmaterials vor der Verformung, wobei das Flachmaterial eine Mittelfläche 8 und eine Materialdicke 12 aufweist.

An Hand der vergrößerten Darstellungen in Fig. 3b und 3c soll nun der erfindungsgemäß erzielte Effekt gegenüber einem Blech nach dem Stand der Technik veranschaulicht werden. Die Fig. 3b zeigt eine Verformungsstruktur mit einer Zelle 5 in einem Flachmaterial, welches die Mittelfläche oder Mittelebene 8 aufweist. Die zellenartige Vertiefung 5 ist nun so gestaltet, dass das Flachmaterial aus der Mittelfläche 8 in eine einzige Richtung zur Bildung einer Zellvertiefung 10 bogenartig verläuft. Diese Vertiefung 10 besitzt eine Breite 6 und eine Höhe 13. Ihre Tangente formt zur Mittelfläche 8 einen relativ flachen Winkel α, so dass die Vertiefung 10 bei Ausübung eines Druckes auf sie relativ leicht zusammengedrückt werden kann.

Vergleicht man dagegen die erfindungsgemäße Form nach Fig. 3c (wo das Flachmaterial ebenfalls eine obere und eine untere Hauptfläche 7, 9 aufweist) mit der im Symmetrie-

schnitt zweckmäßig parabelförmigen Vertiefung 10, so ist ersichtlich, dass die Zelle 5 einen gegenüber der Mittelfläche 8 hinaus gehenden erhabenen Zeilbiegerand 14 (zuzüglich der anteiligen Materialdicke 12) besitzt, die im Maximum in der Mitte der Diagonalstege eine Höhe (11 ) aufweist. Durch die längere Ausbildung der die Zelle 5 und ihre Vertiefung 10 begrenzenden Wand ergibt sich hier eine (gegenüber der der Fig. 3b) steilere Tangente, die unter einem Winkel ß zur Mittelfläche 8 verläuft, und die daher auch einen stärkeren Widerstand gegen Druckausübung bewirkt.

Die Herstellung einer lokal begrenzten Verformungsstruktur kann an sich auf beliebige Weise erfolgen, selbst durch das aus der DE-A1-197 50 576 bekannte Walzverfahren, wobei aber zu deren Erzeugung die Walzen immer wieder voneinander separiert werden müssen. überdies wird wegen der entstehenden Blechkrümmung anschließend ein Richtvorgang zum Geraderichten erforderlich, wobei ein Teil des Steifigkeitsgewinns wieder verloren geht. Weiterhin ist durch den Walzvorgang eine regelmäßig paraboloide Beulausformung eingeschränkt, wie sie für die Zwecke dieser Erfindung vorteilhaft ist.

Beispielhaft für einen erfindungsgemäß mit Vorteil angewandten Pressvorgang ist ein C-Pressengestell 21 in Fig. 4 dargestellt, mit dem in Flachmaterialien die erfindungsgemäße Verformungsstruktur eingepresst werden kann. Diese Presse besitzt ein Unter- gesteil 25, auf dem in bekannter Weise ein Strukturwerkzeug 24 befestigt ist. über dem Strukturwerkzeug 24 ist eine Platte 23 aus nachgiebigem, zweckmäßigerweise elastischem Material bestimmter Härte, auf das Strukturwerkzeug 24 absenkbar, um das zwischen dem Werkzeug und der Platte 23 eingeschobene Flachmaterial mit der Hauptfläche 9 gegen das Strukturwerkzeug 24 zu pressen. Die Elastomerplatte 23 wird dabei von einem Druckplattenträger 22 am C-Gestell 21 gehalten und wirkt auf die Hauptfläche 7.

Das Zusammenwirken des Strukturwerkzeuges 24 mit einer nachgiebigen Platte 23, statt mit einem starren Gegenwerkzeug, führt dazu, dass beim Zusammenfahren dieser bei- den Werkzeughälften 23, 24 die dazwischenliegende Blechplatinezunächst an den Scheitelpunkten der erhabenen, vorzugsweise bogenförmigen Zeilbiegeränder 14 (überbögen) Kontakt mit der nachgiebigen, z.B. aus einem Elastomer bestehenden Platte 23 bekommt. Auf Grund der dort initiierten Flächenpressung und der daraus resultierenden Reibung wird der Werkstoff des Bleches im Randbereich einer zu erzeugenden Zelle an diesen Scheitelpunkten festgehalten und legt sich zunächst einmal konkav an diese „überbögen" an.

Beim weiteren Zusammenfahren der Werkzeug hälften wächst auf Grund der Nachgiebigkeit der Elastomerplatte 23 Druck auch im Mittenbereich der Zelle an. Die Folge ist, dass bei Erreichen eines bestimmten Druckes der Platte 23 (erzeugt durch das weitere Zusammenfahren der Werkzeughältften) die beulenartige Zelle vom konkaven Zustand (bedingt durch das Anliegen des Bleches an den überbögen) mehr oder minder spontan in den konvexen Zustand überspringt. Eine weitere Druckerhöhung führt dann nur noch zur endgültigen Ausformung der Zelle. Dabei ist die erzielbare Beultiefe von der Dicke des Bleches und von dessen Festigkeitseigenschaften abhängig.

Neben einfach (mit einem wirkenden Stempel) wirkenden Pressen kann das Verfahren auch in mehrfach wirkenden Presssysteme angewendet werden. Beispielhaft seien hier Tief- und Streckziehwerkzeugsysteme genannt, in die das Strukturierungswerkzeug integriert wird, so dass neben der Hauptformgebung des Flachmaterials eine vollständige oder partielle Strukturierung in der erfindungsgemäßen Form integriert werden kann. Fig. 5 veranschaulicht einen derartigen Tiefzieh Vorgang, bei dem im gleichen Arbeitsgang tiefgezogen und strukturiert wird. Dargestellt ist eine Druckplatte 23, die in einer Matrize 26 befestigt ist. In der Hauptformgebung kann so das Ziehen des Bauteiles erfolgen. Position 3 zeigt den Ziehnapf und Position 2 den Ziehflansch.

Dabei veranschaulicht Fig. 6, dass die einzelnen Platten 23 und Strukturwerkzeuge 24 durchaus nicht immer völlig eben sein müssen, sondern dass auch leicht gekrümmte Flachmaterialien in der dargestellten Weise mit einer Strukturierung versehen werden können. Unter Umständen kann dann allerdings das Strukturierungswerkzeug nicht aus modularen Einzelelementen aufgebaut werden. Eine derartig gekrümmte Struktur lässt sich mit dem Walzstrukturierungsverfahren nicht erzeugen.

An Hand der Fig. 7a bis 7d sei der Eckbereich des Strukturwerkzeugs 24 veranschaulicht. Auf einer Grundplatte 20 des Strukturwerkzeugs 24 sind, die Hexagonalform nach Fig. 1a ergebende«, einzelne« Module befestigt, beispielsweise festgeschraubt, so dass die Module auswechselbar sind, falls dies durch Abnutzung oder infolge einer Umgestaltung der Verformungsstruktur erforderlich ist. Diese Einzelmodule umfassen einmal solche Module 17, welche die bogenförmigen überhöhungen der Randzonen des Beulmusters ausformen, und solche Module 18, die die nicht überhöhten Randzonen des Beulmusters ausformen. Es ist aber auch möglich, von den Einzelmodulen abzusehen und Module vorzusehen, welche eine ganze Beulzelle umfassen. Darüber hinaus kann das gesamte Strukturformfeld aus dem vollen Werkzeugmaterial herausgearbeitet werden. Alle Module werden vorteilhaft mittels Spannplatten (in der Draufsicht unten) über Befestigungsboh-

rungen 19 auf der Werkzeuggrundplatte 20 befestigt. In der Draufsicht oben ist diese Spannplatte zur Veranschaulichung weggelassen worden.

Es versteht sich, dass im Rahmen der Erfindung zahlreiche Modifikationen bezüglich der Form der Module bzw. bezüglich deren Anordnung möglich sind, sei es was die Form der Zellen oder ihre Anordnung anlangt.

Beispielsweise ist es zwar günstig, die höheren Beulbiegeränder des Werkzeuges 17 mit einem nach außen bzw. von der auf das zu verformende Material bezogenen Mittelfläche 8 weg weisenden Bogen auszustatten (was die erforderlichen Presskräfte reduziert), wie dies besonders die Figuren 7 zeigen, doch könnte auch jede andere Form gewählt werden, beispielsweise ein Doppelbogen od. dgl. Generell können die Bögen der Beulränder auch einwärts gerichtet sein, also etwa konkav, doch ist dies nicht zu bevorzugen. Bögen können auch an den niedrigeren Beulbiegerändern des Werkzeuges 18 vorgesehen werden, so lange ihr oberer Rand dann nicht über die, auf das zu verformende Material bezogene, Hauptfläche 7 hinausreicht. Solche Bögen können bevorzugt konkav ausgebildet sein. Ebenso wäre es denkbar, die Oberkante („oben" bezogen auf die Darstellung in den Figuren) schief zur Mittelebene 8 verlaufen zu lassen.

Auch kann die Zellvertiefung 10 (Fig. 3c) eine Abplattung oder aufwärts weisende Ein- dellung (Gegenbeule) besitzen. Ebenso kann das Verfahren, von dem eine bevorzugte Ausführung beschrieben wurde, auf die verschiedenste Weise abgeändert werden. So kann die Lage der Platten 23, 24 ausgetauscht werden, so dass etwa die Platte 24 oben liegt. An Stelle der Elastomerplatte 23 - welche bevorzugt ist - kann auch eine unnach- giebige Werkzeugplatte mit der Negativgravur zur Platte 24 verwendet werden, doch ist dies im Allgemeinen nicht kostengünstig.

Es wurde auch schon erwähnt, dass verschiedenartiges Flachmaterial für die erfindungsgemäße Strukturierung in Betracht kommt, außer Bleche, Natur- und Kunststoffe, Papiere und Pappen können auch Kompositmaterialien und aus verschiedenen Materialsorten und Dicken zusammengesetzte Materialien strukturiert werden. Es wurden bereits erfolgreiche Versuche mit Feinblechen durchgeführt.

Zusätzlich zu der versteifenden Wirkung der erfindungsgemäßen Formstruktur können Bauteile, die mit dieser Formstruktur versehen sind, unter Ausnutzung der besonderen Geometriegestalt weiterverformt werden, was die versteifende Wirkung weiter steigern kann.

Eine besondere Variante der Erfindung kann darin bestehen, dass in ein Bauteil durch die erfindungsgemäße Formstruktur Versagensinitiierungsstellen eingebracht werden, etwa um ein Bauteil bei einer bestimmten Belastung einknicken zu lassen, z.B. um damit eine Energieabsorption im Falle einer starken impulsartigen Belastung zu ermöglichen.

Eine weitere Besonderheit der Erfindung kann darin bestehen, dass ein Bauteil nach der Hauptformgebung, auch nach dem Zusammenbau, mit entsprechenden Werkzeugen (auch zangenartig) mit der erfindungsgemäße Formstruktur oder mit einzelnen Beulen versehen werden kann.