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.

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).

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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