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Multimaterielles Werkzeug für moderne Metallfassaden

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Vom virtuellen Modell zum realen Fassadenblech

Mit dem vorliegenden Anwendungsfall ergab sich eine Konstellation, bei der technologisches Neuland betreten wurde und die Stufen des konstruktiven Entwicklungsprozesses vollständig durchlaufen wurden. Die unveränderlichen Forderungen und Randbedingungen an das Werkzeug waren:

  • Ausdehnung des Formelements und damit Wirkfläche des Luftdrucks von 1 m × 1 m;
  • maximaler Luftdruck von 8 bar zur Formgebung;
  • Ausformungshöhe des Bleches maximal 140 mm, variable Einsätze zur Formgebung;
  • Schließkraft der Presse bis 1000 kN;
  • maximale Werkzeugmasse ≤ 500 kg.

Ausgehend von FE-Analysen des Umformprozesses wurde ein Kräftemodell erarbeitet, welches Rückschlüsse auf die Werkzeugbeanspruchung durch die Prozesskräfte erlaubt. Gleichzeitig ist die Krafteinleitung in vertikaler Richtung, verursacht durch Prozesskräfte und die Schließkraft der Presse, verifiziert worden (Bild 3).

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Die richtungsabhängige Flächenpressung zwischen Bauteilen aus Holzwerkstoff wurde einschlägigen Normen des Bauwesens entnommen und ist entscheidendes Kriterium für die Bauteildimensionierung. Unter Beachtung weiterer Randbedingungen (Einbausituation an der Presse, Sicherheitsfaktor et cetera) ergab sich eine geeignete Konstruktionslösung, welche neben den Holzwerkstoffelementen auch Stahlstifte als zusätzliche Kraftübertragungselemente enthält.

Durch den gezielten Einsatz des anisotropen Furnierschichtwerkstoffes entstand eine Konstruktion, bei der die kraft- und fertigungsgerechte Anordnung im Vordergrund steht. Gleichzeitig wurden die Einzelteile stets in korrekter Lage zur Faserrichtung untereinander verbunden.

Bild 4: In eine Grundplatte (5) sind sowohl Stützwände (8) als auch Rippen (4) eingelassen. Diese bilden in der notwendigen Nutzhöhe von 140 mm eine Ebene für den Funktionsrahmen (1), sodass im Unterwerkzeug der Hohlraum zur Umformung des Bleches entsteht. Der Boden des Hohlraumes ist zur variablen Aufnahme von Formeinsätzen mit einem gerasterten Gewindeeinsatz (9) bestückt. Im Funktionsrahmen umlaufend befinden sich die für den Umformprozess entscheidenden Bauteile: Klemmsicken und eine Dichtnut (2). Weiterhin sind in den Ecken Zentrierelemente (3) eingebracht. Zur zuverlässigen Kraftableitung sind alle Bauteile gegenseitig in gefrästen Taschen eingebettet, untereinander verschraubt (7) sowie zusätzlich verstiftet (6).

Im Falle eines Blechrisses ist gemeinsam mit dem Oberwerkzeug ein geschlossener Raum vorhanden, in welchem der Innendruck zunächst zurückgehalten wird und später gedrosselt entweichen kann.

Die Fertigung der Einzelteile aus Holzwerkstoff erfolgte durch eine Drei-Achs-CNC-Bearbeitung der Holzwerkstoffplatten. Einzelkomponenten, welche in gefrästen Taschen platziert werden, sind an entsprechenden Stellen zur Erleichterung der Montage angefast (Oberfräse). Die notwendige Genauigkeit zur exakten Anordnung der über mehrere Bauteile fluch- tenden Löcher wurde durch die CNC-Bearbeitung sichergestellt (Bild 6).

Unkomplizierte individuelle Anpassung der Werkzeuggeometrie

Mit dem umgesetzten multimateriellen Werkzeug wurden sehr gute Ergebnisse bei der Gestaltung von Fassadenelementen erzielt (Bild 5). Das Werkzeug überzeugt bei der Gestaltung individueller Formelemente durch eine unkomplizierte individuelle Anpassung der Werkzeuggeometrie an anspruchsvolle Fassadenelemente. Aluminium und Stahl konnten erfolgreich substituiert und ein robustes, kostengünstiges und erheblich massereduziertes Werkzeug aus Holzwerkstoff für den speziellen Einsatz in der Fassadenblechgestaltung umgesetzt werden.

Das Leichtbaukonzept überzeugt mit einer Gesamtmasse von 340 kg, wobei das voluminöse Unterwerkzeug aus Holzwerkstoff inklusive der Funktionselemente aus Stahl lediglich 260 kg wiegt. Das im Unterwerkzeug angewendete Bauprinzip erlaubt den kostengünstigen Wechsel von Einzelteilen, wenn deren Verschleißgrenze erreicht ist. Neben dem Einsatz von Holzwerkstoff als nachhaltigem ökologischem Werkstoff kann prozessbedingt auf den Einsatz von Schmiermittel verzichtet werden, sodass eine aufwendige Reinigung der umgeformten Fassadenbleche entfällt und ein weiterer Beitrag zum Umweltschutz und zur Ressourcenersparnis geleistet wird.

In weiterführenden Forschungsarbeiten sollen sehr große Fassadenelemente bis 2,50 m Länge umgeformt und das Werkzeug zur industriellen Serientauglichkeit geführt werden.

Ein besonderer Dank gilt der Fosta, die als Fördermittelgeber diese Forschung und Werkzeugentwicklung ermöglicht hat. MM

* Dipl.-Ing. Marc Tulke ist Mitarbeiter, Prof. Dr.-Ing. Alexander Brosius Inhaber der Professur Formgebende Fertigungsverfahren, Dipl.-Ing. Christian Korn und Dipl.-Ing. Jan Herold sind Mitarbeiter, Prof. Dr.-Ing. André Wagenführ Inhaber der Professur für Holztechnik und Faserwerkstofftechnik, alle an der TU Dresden. Weitere Informationen: Tel. (03 51) 46 33 39 52,marc.tulke@tu-dresden.de

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