Fertigungsgerechte Konzepte und geometriefl exible Fertigungsketten für selbsttragende Freiformstrukturen

Der gesteigerte Wunsch nach Individualisierung führt in der Architektur bzw. im Bauwesen, wie auch in vielen anderen Produktbereichen, zu einer häufigeren Verwendung beliebig mehrsinnig gekrümmter Flächenformen. Aus den freigeformten Hüllflächen ergibt sich eine große Zahl komplexer und individueller Bauteilgeometrien, die die Fertigungstechnik vor große Herausforderungen stellt. Übergeordnetes langfristiges Ziel der Forschungsarbeiten ist die Verfügbarkeit von Baukonzepten, die eine materialeffiziente und wirtschaftliche Realisierung von Freiformstrukturen ermöglichen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der übergreifenden Frage, wie fertigungsgerechte Konzepte für selbsttragende Freiformstrukturen und geometrieflexible Fertigungsketten für die kosteneffiziente Herstellung der erforderlichen Einzelteile realisiert werden können. Es werden zwei entsprechende Baukonzepte vorgestellt, die gemeinsam vom Lehrstuhl für Tragkonstruktionen und dem Institut für Bildsame Formgebung der RWTH Aachen University konzipiert wurden. Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit liegt dabei auf der Entwicklung der zugehörigen Fertigungsketten. Die Überführung konventioneller Komponenten, wie z.B. Trapezbleche oder Sandwichplatten, in mehrsinnig gekrümmte Formen, ist durch deren Steifigkeit kaum möglich. Deshalb wird der Ansatz gewählt, die Versteifung erst während der Fertigung und durch anschließendes Fügen mehrerer Lagen zu erzeugen. Die Verwendung metallischer Feinbleche ermöglicht dabei die umformtechnische Einbringung von geometrischen Versteifungselementen und die Vereinigung von Design, Funktions- und Trageigenschaften in einer Einheit. Als formgebende Prozesse der Fertigungsketten kommen die Blechumformverfahren Streckziehen, Inkrementelle Blechumformung und Schwenkbiegen zum Einsatz. Für beide Fertigungsketten werden Werkzeugkonzepte präsentiert, die eine geometrieflexible und zugleich kosteneffiziente Fertigung der Einzelteile für das jeweilige Baukonzept ermöglichen. Darüber hinaus wird der Ansatz verfolgt, möglichst viele Prozessschritte in eine Maschine zu integrieren und verbleibende Maschinenwechsel zu optimieren. Die Bearbeitung in einer Aufspannung ermöglicht verkürzte Fertigungszeiten und gute Geometriegenauigkeiten. Die ganzheitliche Optimierung der Fertigungsketten wird vor allem durch die Implementierung von Fertigungsrestriktionen in softwaregestützte Planungswerkzeuge ermöglicht.
Die vorliegende Arbeit zeigt, dass durch fertigungsgerechtes Design und geometrische Versteifungen sowie durch geeignete Umformprozesse und optimierte Fertigungsketten sogar Bauteile für Freiformstrukturen mit einer hohen Genauigkeit und Prozessstabilität hergestellt werden können. Es werden zu beiden vorgestellten Fertigungsketten Analysen und Ergebnisse zu erreichten Oberflächenqualitäten, Geometriegenauigkeiten, Fertigungszeiten und -kosten sowie zur resultierenden Blechausdünnung präsentiert. Die prototypischen Realisierungen der beiden Baukonzepte, die im Rahmen der Forschungsarbeiten umgesetzt wurden, demonstrieren erfolgreich die Herstellbarkeit und Montierbarkeit der Einzelteile.