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Die vorliegende Erfindung betrifft ein mehrstufiges Stanz-Biegeverfahren zur Einbringen einer Primär- und wenigstens einer Sekundärstruktur in eine bandförmige sehr dünne Metallfolie, wobei die Metallfolie nach Durchlaufen des mehrstufigen Stanz-Biegeverfahrens zwischen Primär- und wenigstens einer Sekundärstruktur entlang des Wellenzuges der Primärstruktur innerhalb einer Welle der Primärstruktur wenigstens zwei 180°-Biegungen aufweist.
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Derartig komplex strukturierte sehr dünne Metallfolien werden vielfältig eingesetzt, insbesondere jedoch als Katalysatorträger im Bereich der Abgasbehandlung. Bei Katalysatoren kommt es bekanntermaßen auf eine besonders große Oberfläche an, zugleich sollen die Katalysatoren der Gasströmung nur einen geringen Strömungswiderstand bieten, dürfen wegen der geforderten äußerst schnellen thermischen Aufheizung bis zur Betriebstemperatur keine große Eigenmasse aufweisen und müssen daher aus einer entsprechend dünnen Materiallage gebildet werden. Typische Materialstärken liegen bei weniger als 0,2 mm. Derartige dünne Metallfolien sind schwierig zu verarbeiten, da Umformungen leicht zu Beschädigungen der Materialstruktur führen. Um eine große Oberfläche zu erzeugen, werden bei bekannten Metallfolien dreidimensionale Strukturen eingebracht, üblicherweise Primär- und Sekundärstrukturen. Unter Primärstruktur ist dabei regelmäßig eine räumliche Struktur der Metallfolie zu verstehen, die die größte Wellenlänge entlang der Längsachse der Metallfolie unter den Strukturen der Metallfolie aufweist. Entlang einer Längsseite der fertig strukturierten Metallfolie gesehen, können derartige Wellen dabei mehr oder weniger sinusförmig, rechteckig, quadratisch, dreieckig oder dergleichen ausgebildet sein, wobei sich die mittleren Steigungen der ansteigenden oder abfallenden Schenkel voneinander unterscheiden oder gleichartig sein können. Aufgrund der besseren Strömungsverhältnisse und der einfacheren und dauerhafteren Beschichtbarkeit sind generell runde Formen bevorzugt. Unter der oder den Sekundärstrukturen werden erfindungsgemäß solche Strukturen verstanden, die eine kürzere Wellenlänge als die der Primärstruktur aufweisen, mithin in die zuerst geformte Primärstruktur eingebracht sind, so dass eine oder mehrere Strukturelemente der Sekundärstruktur in eine oder weniger Strukturelemente der Primärstruktur fallen, beispielsweise in eine Halbwelle. Üblicherweise werden Primär- und Sekundärstruktur erst in die Metallfolie eingebracht, nachdem zuvor Material ausgestanzt wurde, um die Umformung zu ermöglichen.
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Bei der Einbringung der Strukturen mittels Umformung darf das Metallmaterial, üblicherweise Edelstahl, nicht verkrumpelt werden, es dürfen keine Risse oder Grate auftreten, eine strenge Maßhaltigkeit ist erforderlich, insbesondere unterhalb von 0,1 mm Spaltweite. Schließlich muß ein Herstellverfahren auch mit größeren Materialvorschubgeschwindigkeiten arbeiten, um eine wirtschaftliche Herstellung der strukturierten Metallfolie zu ermöglichen.
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Derartig hochkomplexe Metallfolien sind daher äußerst schwierig zu formen, insbesondere sind kämmende Walzen hierzu gänzlich ungeeignet. Die Materialeigenschaften und die gewünschte komplexe Struktur des fertigen Produkts nehmen daher starken Einfluß auf die Verfahrensschritte. Im Stand der Technik ist der Einsatz von Folgeverbundwerkzeuge bekannt, die mit Stanz- und Biegestationen ausgestattet sind und bei denen eine Vorrichtung mehrere, sukzessiv arbeitende und miteinander getaktete Bearbeitungsstationen aufweist.
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Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, ein Verfahren anzugeben, mit dem derartig hochkomplex strukturierte, dünne Metallfolien hergestellt werden können.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, bei dem die Primärstruktur während eines ersten Biege-Verfahrensschrittes nicht in allen ihren Bereichen vollständig ausgeformt in die Metallfolie eingebracht wird, bei dem die Primärstruktur während eines darauffolgenden zweiten Biege-Verfahrensschrittes in ihren restlichen Bereichen vollständig ausgebildet wird und bei dem die wenigstens eine Sekundärstruktur während eines darauffolgenden dritten Biege-Verfahrensschrittes vollständig ausgeformt in die Metallfolie eingebracht wird, wobei das Metallband die Verfahrensschritte unmittelbar nacheinander durchläuft. Zu ihrer großen Überraschung hat die Anmelderin festgestellt, dass die gestellte Aufgabe nur dadurch zu lösen ist, dass die Primärstruktur nicht bereits im ersten Arbeitsschritt vollständig in das Metallband eingebracht wird. Nur dann, wenn die Primärstruktur zunächst unvollständig eingeformt wird, lassen die Materialeigenschaften eine maßhaltige Weiterbearbeitung zu. Hierbei ist es überraschenderweise am vorteilhaftesten, wenn die Primärstruktur bereits in einigen Bereichen im Endmaß eingebracht wird und in den restlichen Bereichen erst in einem zweiten Schritt auf Endmaß gebracht werden. Nur durch die zusätzliche Einführung eines weiteren Arbeitsschrittes war es möglich, die geforderte hochkomplexe Struktur maßhaltig in die Metallfolie einzubringen. Überraschend war es nicht möglich, zunächst sämtliche Bereiche der Primärstrukturen auf annäherndes Endmaß zu bringen und sodann sämtliche Bereiche auf Endmaß zu bringen. Stattdessen mussten überraschend ein oder mehrere Bereiche der Primärstruktur auf Endmaß gebracht werden und erst in einem zweiten Schritt die restlichen Bereiche auf Endmaß. Mit großem Vorteil erlaubt diese erfinderische Verfahrensführung das nachfolgende Einbringen wenigstens einer Sekundärstruktur im sofortigen Endmaß. Wichtig ist ebenfalls, dass die Anordnung der Verfahrensschritte eine Materialreserve zwischen den Verfahrensschritten vorsieht, damit die Verarbeitung in den Biegestationen nicht durch Zugkräfte behindert wird.
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Besonders vorteilhaft ist, wenn vor den Biege-Verfahrensschritten ein Stanz-Verfahrensschritt erfolgt. Hierdurch lassen sich sowohl Führungslöcher als auch die erforderlichen Ausnehmungen für die späteren Biegungen einbringen, so dass diese riß- und faltenfrei erfolgen können.
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In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass in einem nachfolgenden Biege-Verfahrensschritt eine weitere Sekundärstruktur vollständig ausgeformt in die Metallfolie eingebracht wird. Überraschend ist es bei der Einbringung der Sekundärstruktur nicht erforderlich, zunächst Teilbereiche der Sekundärstruktur auf Endmaß zu bringen und in einem zweiten Schritt die restlichen Bereiche, vielmehr kann mit vorteilhafter Zeit- und Werkzeugersparnis erfindungsgemäß sofort die Sekundärstruktur im Endmaß eingebracht werden.
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Ist zwischen den ersten vier Verfahrensschritten jeweils eine Metallbandzwischenspeicherung vorgesehen, kann das Material spannungsfrei ohne sich negativ auswirkende Zugkräfte verarbeitet werden.
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Wird die wenigstens eine Sekundärstruktur horizontal schräg zur Primärstruktur eingebracht, insbesondere eine zweite Sekundärstruktur zusätzlich noch schräg zur ersten Sekundärstruktur, so wird mit großem Vorteil die geforderte komplexe Geometrie des fertigen Metallbandes ermöglicht.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert, die sich auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel beziehen. Hierbei zeigen im Einzelnen die:
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1: eine schematische Übersicht über die Verfahrensschritte,
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2: einen perspektivischen Ausschnitt der fertigen, mit dem Verfahren hergestellten Metallfolie und
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3: eine Aufsicht auf einen Teil der fertigen Metallfolie.
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1 zeigt in einer Schemazeichnung die einzelnen Arbeitsschritte des beanspruchten Verfahrens. Diese laufen bevorzugt innerhalb eines Folgeverbundwerkzeuges ab, das die einzelnen Werkzeuge in einem gemeinsamen Werkzeugträger enthält. Die Werkzeuge arbeiten aufeinander abgestimmt getaktet, so dass ein Materialband schrittweise durch das Folgeverbundwerkzeug gefördert wird. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Stanzband verarbeitet, welches zwischen 100 mm und 150 mm breit ist und eine Materialstärke von 0,11 mm aufweist. Es handelt sich bei diesem Beispiel um ein Edelstahlstanzband.
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Das hier fünfstufige Verfahren beginnt mit einem Stanzschritt 1 in einer Stanzstation 2, gefolgt von einem ersten Vorbiegeschritt 3 der Primärstruktur in einer ersten Biegestation 4. Zwischen beiden Stationen 2, 4 befindet sich eine längenveränderliche Materialreserve 5, die einen Materialzwischenspeicher bildet und somit der bei der Biegung auftretenden relativen Materialverkürzung Rechnung trägt. Im Stanzschritt 1 werden Führungslöcher in das Stanzband 6 eingestanzt, an denen es durch das Folgeverbundwerkzeug transportiert wird. Weiterhin werden die Materialbereiche ausgestanzt, die bei den nachfolgenden Umformungen Probleme erzeugen würden. In der ersten Biegestation 4 wird die Primärstruktur in V-Form in das Stanzband eingeformt, wobei hier bereits ein festgelegtes Winkelverhältnis und ein genau bestimmter Radius an der V-förmigen Spitze eingeformt werden. Es wird also ein fertiger Wellenkammabschnitt der Primärstruktur geformt, dessen Maße im weiteren Verfahren eingehalten werden. Besonders wichtig ist das Winkelverhältnis, da das weitere Verfahren ansonsten nicht durchführbar ist. Nach der ersten Biegestation 4 folgt eine zweite Biegestation 7, in der die Endbiegung 8 der Primärstruktur erfolgt. Diese Endbiegung 8 verwandelt das bisher eingeformte V-förmige Profil der Primärstruktur in ein rechteckiges U-Profil. Der Vorbiegeschritt 3 und der Endbiegeschritt 8 führen jeweils zu einer Verkürzung des Stanzbandes 6, so dass auch zwischen der ersten und zweiten Biegestation 4, 7 eine Materialreserve 5 vorgesehen ist. Nach diesen ersten beiden Biegeschritten 4, 7 erfolgen ein dritter und vierter Biegeschritt, wobei der dritte Biegeschritt 9 in einer dritten Biegestation 10 erfolgt. Dort wird in die bisher im Endmaß erzeugte Primärstruktur eine Sekundärstruktur einformt, nämlich hier in die Oberseite der Primärstruktur. Der vierte 11 Biegeschritt in der vierten Biegestation 12 formt dann eine weitere Sekundärstruktur in die Primärstruktur und zwar in die der ersten Sekundärstruktur gegenüberliegenden Seite der Primärstruktur. Diese beiden Sekundärstrukturen sind gegeneinander geneigt, weisen insbesondere einen Winkel von annähernd 90° zueinander auf. Diese Struktur kann 2 entnommen werden. An dieses Formgebungsverfahren schließt sich eine Trennstation 14 mit einem Trennschritt 13 an, gefolgt von einer Verpackungsstation 16 der fertig strukturierten Metallfolie.
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Die komplexe Struktur der erfindungsgemäß erzeugten Metallfolie ist gut in 2 zu erkennen. Diese zeigt eine perspektivische Aufsicht auf einen Wellenzug von Primär- und Sekundärstruktur, der sich entlang des Pfeiles erstreckt. Der Pfeil stellt gleichzeitig die Produktionsrichtung des Stanzbandes 6 dar. Die Primärstruktur 15 wird durch rechteckige, u-förmige Wellen gebildet, die zunächst in das Stanzband in zwei Schritten wie geschildert eingebracht wurde. Die Stanzlöcher 20, die während des ersten Verfahrensschrittes zur Förderung des Stanzbandes 6 durch das Folgeverbundwerkzeug eingebracht wurden, sind ebenfalls zu erkennen. Die erste Sekundärstruktur 17 wurde eingebracht, indem der Wellenkamm der Primärstruktur so von oben eingedrückt wurde, dass das Stanzbandmaterial innerhalb einer Welle der Primärstruktur 15 zweimal um 180° umgebogen und zusätzlich zur Primärstruktur geneigt wurde. Die zweite Sekundärstruktur 18 ist geneigt zur ersten Primärstruktur 17 ausgebildet und ebenfalls geneigt zur Primärstruktur 15.
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3 zeigt eine Aufsicht auf einen Abschnitt eines fertigen Stanzbandes 6, das mit dem geschilderten Verfahren hergestellt wurde. Die Primärstruktur 15 besteht aus rechteckigen, u-förmigen Wellen. In einen Wellenzug der Primärstruktur sind eine erste und eine zweite Sekundärstruktur 17, 18 eingeformt, wobei eine Sekundärstruktur in einen Wellenberg, bzw. ein Wellental eingeformt sind. Die beiden Sekundärstrukturen 17, 18 sind zueinander etwa im Winkel von 90° angeordnet, verlaufen geneigt zur Primärstruktur 15 und weisen streng parallele Wände zu den Wänden der Primärstruktur 15 auf. Der Abstand A der Wände zueinander beträgt 0,9 mm, ein Wellenzug B der Primärstruktur erstreckt sich über 11 mm, eine Sekundärstruktur erstreckt sich über 3,6 mm.
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Mit großem Vorteil eröffnet das erfindungsgemäße Verfahren die Möglichkeit der rationellen Herstellung komplex geformter sehr dünner Metallbänder. Nur dadurch, dass nicht sofort eine Primärstruktur in Endbemaßung eingeformt wird, sondern vielmehr ein Teil der Primärstruktur in Endbemaßung und ein anderer zunächst nicht, der dann in einem zweiten Umformschritt ebenfalls auf Endmaß gebracht wird, können die Materialeigenschaften überwunden und planere Wandungen erzeugt werden. Diese ist erforderlich, da aufgrund der Enge der Spaltweite eine seitliche Führung der Werkzeuge bei Einbringung der Sekundärstruktur nicht möglich ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stanzschritt
- 2
- Stanzstation
- 3
- Vorbiegeschritt
- 4
- erste Biegestation
- 5
- Materialreserve
- 6
- Stanzband
- 7
- zweite Biegestation
- 8
- Endbiegung
- 9
- dritter Biegeschritt
- 10
- dritte Biegestation
- 11
- vierter Biegeschritt
- 12
- vierten Biegestation
- 13
- Trennschritt
- 14
- Trennstation
- 15
- Primärstruktur
- 16
- Verpackungsstation
- 17
- erste Sekundärstruktur
- 18
- zweite Sekundärstruktur
- 19
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- 20
- Stanzlöcher
