Faltstrukturen aus Feinblech

  Musterbau Tragkonstruktionen  

Untersuchungen zur Herstellbarkeit von Freiform-Fassadenelementen als freitragende Struktur ohne Unterkonstruktion aus nichtrostendem Stahl mittels inkrementeller Blechumformung (IBU)

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Thorsten Pofahl

Wiss. Ang.

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+49 241 80 98213

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Das Baukonzept für Freiformstrukturen vereint den Lastabtrag sowie Funktion und Design der Gebäudehülle in einer zweilagigen, selbsttragenden Struktur. Die Kombination aus Tesselierung und Faltung einer Hüllfläche bildet die Grundlage eines leistungsfähigen Tragsystems und ermöglicht den Einsatz äußerst feiner Blechhalbzeuge. Die freie Form des zugrunde liegenden Entwurfs bedingt dabei zwangsläufig eine Vielzahl individueller Einzelteile. Eine auf Basis der inkrementellen Blechumformung entwickelte flexible Fertigungskette ermöglicht die Produktion dieser Fassadenelemente.

Das im Rahmen des Forschungsprojekts realisierte Musterbauwerk zeigt das enorme Leichtbaupotential des Baukonzeptes auf: 140 individuelle pyramidenförmige und 234 individuelle dreiseitige Bauteile aus Edelstahl-Feinblechen sind zu einer Struktur mit einem Flächengewicht von weniger als 16 kg/m² gefügt. Die kalkulierten Realisierungskosten, die sowohl die Fertigung als auch die Montage beinhalten, liegen dabei im Vergleich zu herkömmlichen Bauweisen für Freiformfassaden in einem konkurenzfähigen Bereich. Die entwickelten Ansätze ermöglichen eine hohe Geometrieflexibilität und eröffnen neue Möglichkeiten für metallische Bauweisen in der modernen Architektur.

 

Die Herstellung einer solch großen Anzahl von Einzelteilen ist eine anspruchsvolle Aufgabe, welche ein flexibles Herstellungsverfahren und eine optimierte Gesamtprozesskette notwendig macht. Die dreieckigen Elemente können unter Verwendung einer CNC-Laservorrichtung geschnitten und anschließend in einer teilautomatisierten Schwenkbiegemaschine abgekantet werden. Die Herstellung der komplexesten Teile der Struktur - den Pyramiden - stellt sich als eine größere Herausforderung dar. Das Falten der Elemente aus den jeweiligen Abwicklungen erscheint ebenso wenig praktikabel wie das Fügen von einzelnen Facetten. Durch etablierte Blechumformprozesse, z.B. Tiefziehen oder Druckumformen, können die pyramidalen Bauteile aus einem einzigen Blech hergestellt werden. Diese Prozesse bedingen jedoch komplexe und teure Formwerkzeuge und können daher nur für die Großserienproduktion von identischen Elementen wirtschaftlich eingesetzt werden. Aus diesem Grund wurde eine innovative Fertigungskette für die Pyramidenelemente entwickelt: die Grundformen der Pyramiden werden mittels Inkrementeller Blechumformung erzeugt. Hierbei handelt es sich um ein wirtschaftliches Verfahren zur Bildung von Kleinserien und Prototypen, welches auf Grund der sehr geringen Werkzeugaufwand sehr flexibel ist. Anschließend werden die Bauteile laserbeschnitten und abgekanntet.

 
Inkrementelle Blechumformung
Die inkrementelle Blechumformung ermöglicht die Herstellung individueller Bauteile. Video: IBF
 

Bei der inkrementellen Blechumformung fährt ein CNC gesteuertes Formwerkzeug die Konturen der zu erzeugenden Geometrie in einem ebenen Blech nach. Nach jeder abgeschlossenen Höhenlinie führt das Werkzeug einen vertikalen Versatz durch. Die Blechränder sind in einem Rahmen mit Einspannvorrichtungen befestigt, welcher der vertikalen Bewegung des Formwerkzeugs folgt. Die Spitze der Pyramiden wird von einem partiellen Stempel unterstützt. Auf diese Weise können unterschiedliche Bauteile ohne die Verwendung von individuellen Formwerkzeugen hergestellt werden. Der Umformkopf bringt jeweils nur lokal Kräfte in das Blech ein, welche im Vergleich zu konventionellen Umformverfahren, gering ausfallen. Das Verfahren kann daher auf einer geringfügig modifizierten CNC-Fräsmaschinen durchgeführt werden. Nach dem Umformprozess müssen die Bauteile aus den Blechen geschnitten werden. Der Ursprüngliche Ansatz, die Bauteile im gleichen Maschinenaufbau auszufräsen, wurde aufgrund der verhältnismäßig langen Bearbeitungszeit verworfen. Stattdessen wurden die Komponenten in einem gesonderten Bearbeitungsschritt von einem Laserschneider beschnitten. Die exakte Positionierung wurde durch einen identischen Adapter sichergestellt.

Das IGF-Vorhaben des Deutschen Ausschusses für Stahlbau DASt wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und –entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Das Vorhaben wurde vom Institut für Bildsame Formgebung und vom Lehrstuhl für Tragkonstruktionen der RWTH Aachen durchgeführt. Die fachliche Begleitung des Vorhabens erfolgte durch die FOSTA – Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V., Düsseldorf.