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Werkzeuge Multimaterielles Werkzeug für moderne Metallfassaden

| Autor/ Redakteur: Marc Tulke, Christian Korn und andere / Mag. Victoria Sonnenberg

Ein neu entwickeltes, multimaterielles Werkzeug zur Umformung komplizierter Freiformflächen für die individuelle Fassadenblechgestaltung ist die Antwort auf die häufig gestellte Frage nach dem ungenutzten Leichtbaupotenzial im Werkzeugbau.

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Freiformflächen in dreidimensionalen Fassadenelementen für die moderne Fassadengestaltung erfordern Werkzeuge mit großen Abmessungen, die zudem sehr variabel sein müssen.
Freiformflächen in dreidimensionalen Fassadenelementen für die moderne Fassadengestaltung erfordern Werkzeuge mit großen Abmessungen, die zudem sehr variabel sein müssen.
(Bild: TU Dresden)

Neben Hauptanforderungen, wie Schutz des Gebäudes vor Wetter und Verwitterung, werden vor allem ästhetische Forderungen an eine Fassade gestellt.

Aktuelle Trends im Fassadenbau streben großformatige Fassadenelemente mit komplexen Formen an. In diesem Zusammenhang wird eine individuelle Gestaltung gefordert, bis hin zu großflächigen Fassaden, bei denen sich jedes Element optisch von den jeweils anderen unterscheidet. Dabei werden neben den etablierten Faltungen von Fassadenblechen mit scharfkantigen Formen zunehmend gekrümmte Freiformflächen mit weichen Übergängen gewünscht.

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Herstellung moderner Fassadenelemente aus Edelstahl-Verbundblechen

Ausgehend von diesen Anforderungen wurde in einem Gemeinschaftsprojekt der Professur Formgebende Fertigungsverfahren der TU Dresden und der Professur Architektur und Metallbau der FH Dortmund die Herstellung moderner Fassadenelemente aus Edelstahl-Verbundblechen in Angriff genommen. Die Entwicklung des Umformwerkzeuges erfolgte in einer Kooperation der Professur Formgebende Fertigungsverfahren und der Professur Holztechnik und Faserwerkstofftechnik an der TU Dresden.

Bedingt durch den Einsatz großformatiger Bleche ist ein Werkzeug mit großen Abmessungen erforderlich, was zu einem hohen Materialeinsatz führt und bei konventioneller Bauweise in einer großen Eigenmasse des Werkzeugsystems resultieren würde (Bild 1). Um den Ansprüchen an Formenvielfalt gerecht zu werden, muss das Werkzeug zusätzlich sehr variabel sein. Entsprechende formgebende Werkzeugeinsätze müssen gefertigt und können im Werkzeug positioniert werden, jeweils für vergleichsweise geringe Produktionsstückzahlen.

Verfahrensmodifikation zum wirkmedienbasierten Umformen

Um die verschiedenen Interessen aus gestalterischer und fertigungstechnischer Sicht zu vereinen, wurde eine Verfahrensmodifikation zum wirkmedienbasierten Umformen entwickelt. Dabei werden die Fassadenbleche zwischen Ober- und Unterwerkzeug fixiert und mittels Druckluft umgeformt (Bild 2). Für die individuelle Formgebung werden Werkzeugeinsätze verwendet, die in Form und Position innerhalb des Werkzeuges frei wählbar sind und so einen großen gestalterischen Freiheitsgrad eröffnen. Das pneumatische Streckziehen zeichnet sich besonders für die Herstellung optisch ansprechender, vielseitig gestaltbarer Fassaden als extrem kostengünstiges Verfahren aus. Zur Erprobung des pneumatischen Streckziehens und des umgesetzten Werkzeugprototyps wurden Edelstahl-Verbundblech-Halbzeuge mit Abmessungen von 1,2 m × 1,2 m umgeformt.

Um die Fertigung und Handhabung des Werkzeugs zu erleichtern, wurde ein multimaterielles Werkzeugkonzept verfolgt, bei welchem die Komponenten entsprechend ihrer Funktion aus unterschiedlichen Werkstoffen gefertigt sind. So sind darin enthaltene Funktionselemente wie Klemmsicken und Werkzeugführungen aus Gründen der Verschleißfestigkeit und Krafteinleitung aus Stahl gefertigt. Das Oberwerkzeug als geringer belastete Werkzeugkomponente ist konventionell aus Aluminium gefertigt.

Unterwerkzeug konnte durch ein innovatives Konzept verbessert werden

Hingegen bot das voluminöse und fertigungsintensive Unterwerkzeug gute Möglichkeiten, durch ein innovatives Konzept bezüglich Fertigungsaufwand, -zeit und Eigenmasse verbessert zu werden. Die untere Werkzeughälfte sollte bis auf entscheidende Funktionselemente aus Holzwerkstoff hergestellt werden. Dieser bietet gegenüber metallischen Werkstoffen vor allem die Vorteile der guten und schnellen Spanbarkeit, hohen Tragfähigkeit bei mittlerer Dichte und kostengünstiger Beschaffung. Wie durch den zielgerichteten Einsatz von Holzwerkstoffen ein großes Leichtbaupotential nutzbar wird, ist durch die folgenden Ausführungen am Beispiel des Unterwerkzeuges eindrücklich dargestellt. Einer detaillierten Konstruktion vorgreifend wurde zunächst die Erfolgsaussicht des Vorhabens anhand von überschlägigen Berechnungen geprüft. Im Vergleich zum konventionell konstruierten Stahlwerkzeug mit einer prognostizierten Masse von 1200 kg ergab sich für eine im gleichen Bauraum angeordnete Konstruktion aus Holzwerkstoff eine Masse von lediglich 400 kg. Dies ist ein Worst-Case-Szenario, bei dem eine sehr hohe Dichte von 900 kg/m³ und der Einsatz von 75 kg metallischen Funktionselementen (Klemmsicken, Führungen, Verbindungselemente) unterstellt wurden.

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