DE102016008805B3

DE102016008805B3 - Vorrichtung und Verfahren zur passgenauen und schnellen Vorfertigung von Fassadenelementen aus Aluminium sowie ein Computerprogramm zur Durchführung der Verfahrensschritte.

Info

Publication number: DE102016008805B3
Application number: DE102016008805.2A
Authority: DE
Inventors: Franz Ebert
Original assignee: Fkn Fassaden & Co KG GmbH
Current assignee: Fkn Fassaden & Co KG GmbH
Priority date: 2016-07-20
Filing date: 2016-07-20
Publication date: 2017-11-30
Anticipated expiration: 2036-07-21

Abstract

Vorrichtung und Verfahren zum passgenauen Verschweißen und zur schnellen Vorfertigung zweier, abgewinkelter, Metallbleche A und B, insbesondere Fassadenelemente aus Aluminiumblech, mittels Rührreibschweißen, mit den folgenden Verfahrensschritten. a) Abkanten der Metallbleche A und B und Umbiegen der zu verschweißenden Metallwinkel, b) Lagerung der zu verschweißenden Metallwinkel einerseits zwischen einer Anzahl Anpress- und Transportrollen (8) und andererseits auf einer ebenen Fläche, wobei sich in den Innenraum der Metallwinkel über einen, zwischen den Metallwinkeln erzwungenen, sich in Richtung eines Reibschweiß-Werkzeugs (6) verjüngenden, Spalt, ein Schlepparm (11) mit einer Anzahl Tragrollen (4) erstreckt der einen Schleppkern (3) als Gegenlager zu dem Reibschweiß-Werkzeug (6) trägt, c) Beginn des Verschweißens der beiden Metallwinkel, d) Beenden des Schweißvorgangs nach Erreichen des Endes der Metallwinkel und Entnahme der verschweißten Metallbleche A und B zur weiteren Verarbeitung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur passgenauen und schnellen Vorfertigung von Fassadenelementen aus Aluminium sowie Computerprogramm zur Durchführung der Verfahrensschritte.
Unter Fassadenelementen seien im Folgenden sowohl Fassadenträgerelemente als auch reine Fassaden-Design-Elemente die auf den Fassadenträgerelementen befestigt werden und dann den eigentlichen künstlerischen Effekt geben.
Der Begriff Fassade für die Außenansicht, das heißt die sichtbare Hülle eines Bauwerks leitet sich von dem lateinischen Wort „facies”, das heißt Angesicht, her. Dieser Begriff Fassade beinhaltet meist, wie auch im übertragenen Sinn auf das menschliche Antlitz bezogen, lediglich den repräsentativen Teil des äußeren Teils eines Bauwerks. Die Funktion des Schutzes des von der Fassade umschlossenen Teils des Bauwerks steht hierbei meist nicht im Vordergrund.
Besonders für Architekten ist die Gestaltung von Fassaden ein erstrebenswertes und von der Öffentlichkeit stark beachtetes Ziel ihrer Arbeit. Besonders für die Gestaltung einer Hausfassade mit Elementen aus Aluminium ist es derzeit ein Problem anspruchsvolle Fassadenträgerelemente preiswert und mit geringem Gewicht herzustellen. Bisher sind leichte Fassadenträgerelemente nur durch Strangpressen oder Gießen zu fertigen. Stranggepresste Träger hätten zwar die erforderliche Festigkeit, sind aber von der Form her begrenzt wobei meist nur rohrähnliche Träger im Einsatz sind die jedoch auf der gesamten Länge den gleichen Umfang haben müssen. Gegossene leichte Träger haben nicht die erforderliche Festigkeit. Lediglich schwere Gußträger haben die erforderliche Festigkeit, sind jedoch meist zu teuer und wegen ihres Gewichts nicht entsprechend verwendbar.
Hinsichtlich der prinzipiellen Befestigung von Flächenelementen an einem Gebäude sei aus dem Stand der Technik beispielsweise auf die Druckschrift der DE 10 2011 085 188 A1 verwiesen die eine Halteklemme und ein Montagesystem zum Befestigen eines oder mehrerer Flächenelemente an einem Gebäude beschreibt. In dieser Druckschrift geht es hauptsächlich um Tragekonstruktionen für Photovoltaikelemente, wobei als Aufgabe eine einfache und sichere Montage der dort behandelten Flächenelemente sichergestellt werden soll.
Als Lösung dieser Aufgabe wird zu diesem Zweck eine Halteklemme zum Befestigen eines oder mehrerer Flächenelemente an einem Gebäude beansprucht, wobei die Halteklemme eine Deckleiste aufweist, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Halteklemme außerdem einen sich von der Deckleiste weg erstreckenden ersten Spreizschenkel aufweist und an mindestens einer Stelle der Deckleiste eine Öffnung angeordnet ist durch die ein Spreizmittel eingeführt werden kann, um den ersten Spreizschenkel abzuspreizen.
Andererseits ist es schwierig Fassadenelemente herzustellen die aus künstlerischen Gründen besonderen architektonischen Anforderungen genügen müssen und aus Aluminiumblechen miteinander verschweißt werden müssen.
Abgesehen davon, dass solche Arbeiten wegen ihres besonderen Charakters aufwendig im Fertigungsprozess herzustellen sind und somit teuer sind, können die verwendeten Schweißverfahren oft nicht die gestellten Anforderungen erfüllen. Hier ist insbesondere auf spezielle unerwünschte Lichteffekte zu verweisen die Schweißnähte bei bestimmten Verhältnissen der Beleuchtung sichtbar werden lassen. Bisherige Schweißverfahren bei Aluminium haben die Zugfestigkeit an der Schweißnaht um 2/3 verringert. Bei der Farbgestaltung mit herkömmlichen Schweißverfahren blieb die Schweißnaht sichtbar.
Für solche Fälle hat sich das Rührreibschweißen als geeignetes Herstellungsverfahren herausgestellt.
Aus dem Stand der Technik ist hier die Druckschrift DE 20 2016 001 908 U1 bekannt geworden. Sie betrifft ein Verfahren zum rückstandsfreien Rührreibverschweißen von Werkstücken bei durch Fertigungstoleranzen bedingten Höhenunterschieden der Fügepartner.
Diesem Verfahren liegt die Aufgabe zugrunde, ein rückstandsfreies Verschweißen von Werkstücken mit Höhenunterschieden im Stumpfstoß von bis zu 2 mm, mittels Rührreibschweißen so zu ermöglichen, dass auch bei Belastung der Schweißnaht mit elektrischer Hochspannung keine Überschläge auftreten können.
Dies wird mittels einer Vorrichtung mit den folgenden Merkmalen erreicht:

a) ein, von einer Führungsmaschine, mittels eines Aufnahmekopfes geführter, Antriebskopf und eine, mittels eines Befestigungsflansches am Antriebskopf verschraubte Halteglocke für einen Schweißschuh bilden den Antrieb und die Führung für eine Schweißpin-Spitze,
b) der Schweißschuh hat eine kreisförmige Struktur die in ihrer Mitte eine kreisförmige Öffnung zur Aufnahme der Schweißpin-Spitze aufweist, wobei diese kreisförmige Öffnung in einem diagonal zur kreisförmigen Struktur des Schweißschuhs verlaufenden Steg mit einer Glätt-Fläche in Bewegungsrichtung des Vorgangs des Rührreibschweißens gelagert ist, und wobei die Glätt-Fläche eine Vorderkante aufweist, die Teil einer stufenförmigen Spahn-Leitstufe ist,
c) die Glätt-Fläche weist die Form einer länglichen, sich in diagonaler Richtung des Schweißschuhs erstreckenden, trapezförmigen Struktur auf, bei der die breitere Seite als Vorderkante in der Richtung des Vorschubs des Schweißschuhs sich im vorderen Bereich und eine entsprechende schmälere Seite als Hinterkante sich im hinteren Bereich erstrecken, wobei ferner die Hinterkante die Begrenzung einer stufenförmig angelegten Auslauffläche der Glätt-Fläche bildet und wobei die trapezförmige Struktur von einer linken und einer rechten kurvenförmigen Seitenfläche ergänzt wird, deren Flächennormale jeweils in Richtung zu der Öffnung sich erstrecken,
d) die Glätt-Fläche weist gegenüber der senkrechten Bezugsachse des Schweißpins einen kleinen Anstellwinkel auf.

Mit dem Verfahren des Rührreibschweißens ist eine individuelle Formgebung von leichten Fassadenträgerelementen und Fassaden-Design-Elementen möglich, wobei eine hohe statische Belastbarkeit gegeben ist und die Farbgestaltung keine Probleme bereitet. Auf diese Weise werden konstruktive Formgebungen und mechanische Lösungen möglich die früher nicht erreichbar waren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, mittels dessen Fassadenelemente aus Aluminium passgenau und schnell derart vorgefertigt werden können, dass diese Fertigung preiswert erfolgen kann, wobei CAD-Daten direkt auf die Fertigungsmaschine eingegeben werden können. Außerdem soll die Haltekonstruktion der Fassadenelemente stabil und materialschonend hergestellt werden können.
Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung nach Anspruch 1, bzw. das Verfahren nach Anspruch 6 gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen im Einzelnen:
1: eine Außenansicht eines zu realisierenden Fassadensystems
2: eine Detail-Ansicht der Fassadenstruktur nach 1
3: einen Schnitt durch ein zu fertigendes Fassadenelement
4: eine detaillierte Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung
5: eine weitere detaillierte Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung
Die 1 zeigt eine Außenansicht eines zu realisierenden Fassadensystems zum Beispiel bei einem Verwaltungsgebäude. Die Struktur dieses Fassadensystems besteht aus langgestreckten, konisch sich verjüngenden Stilelementen die unter verschiedenen Winkeln miteinander verbunden, dennoch in der Außenansicht eine netzartige Gesamtansicht vermittelt.
Die 2: zeigt eine Detail-Ansicht der Fassadenstruktur nach 1 In der 2a ist diese Detail-Ansicht zur Orientierung mit einem rechteckigen Gitternetz hinterlegt um die Struktur der Gesamtansicht der in der 1 sichtbaren Außenansicht zu verdeutlichen. In der 2b sind dann die Fassadenelemente im Einzelnen zu erkennen die auf die erfindungsgemäße Art und Weise gefertigt werden können.
Die 3: zeigt einen Schnitt durch ein zu fertigendes Fassadenelement. In allen Teilansichten der 3 sind mit 1 ein Trägerteil A und mit 2 ein Trägerteil B bezeichnet. Die Trägerteile A und B sind für den Gesamtaufbau der zu realisierenden Fassade mittels einer Schweißnaht 5 mechanisch zu verbinden.
In der 3a ist ein Trägerteil A im Querschnitt mit einem, schraffiert dargestellten, Trägerteil B zu sehen, wobei, wie der 3a und der 3b zu entnehmen sind, das Trägerteil A und das Trägerteil B an einer Schweißnaht 5 verbunden sind. In der 3a ist zusätzlich ein, für die erfindungsgemäße Schweißvorrichtung benötigter, im Querschnitt quadratischer, Schleppkern 3 eingezeichnet.
Der Schleppkern kann jeweils in seiner Form den geometrisch bedingten Anforderungen angepasst werden.
Die 4: zeigt eine detaillierte Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung.
Das Trägerteil A mit der Nummer 1 ist in der 4 im oberen Bereich von der Längsseite her dargestellt. Gegenüber liegend ist das Trägerteil B mit der Nummer 2 auf der linken Seite durch einen schräg auf das, mittels eines Kreises dargestellte, Reibschweiß-Werkzeug 6 zulaufenden Spalt getrennt, zu erkennen. Dieser schräg auf das Reibschweiß-Werkzeug 6 zulaufende Spalt kennzeichnet den noch nicht miteinander verschweißten Teil der beiden Trägerteile A und B. Auf der rechten Seite des Reibschweiß-Werkzeugs 6 ist in der Fortsetzung der Linie die durch den schräg zulaufenden Spalt gebildet wird, eine fertig gestellte Schweißnaht 5 zu sehen. In dieser Darstellung ist der Vorgang des Verschweißens der beiden Trägerteile A und B, hier 1 und 2 genannt, in der Draufsicht so gezeichnet, dass durch den schräg zulaufenden Spalt verdeutlicht wird, dass die beiden zu verschweißenden Trägerteile A und B bis zu dem Punkt an dem der Schweißvorgang mittels des Reibschweiß-Werkzeugs 6 erfolgt leicht unter Spannung stehen um einem, mit Schlepparm 11 bezeichneten, Werkzeugteil den Zugang in den Innenbereich der zu verschweißenden Trägerteile A und B zu ermöglichen, wobei die beiden Trägerteile A und B gleichzeitig mittels einer Anzahl Anpass- und Transportrollen 8 für den Schweißvorgang zusammen gedrückt und zugleich nach rechts weiter befördert werden. In der 4 sind auf jeder Seite eines Formteils jeweils beispielhaft 3 Anpass- und Transportrollen 8 gezeigt.
Der Schlepparm 11 ermöglicht es einen von ihm getragenen, so genannten Schleppkern 3 in den Innenbereich zwischen den beiden Trägerteilen A und B zu platzieren um einen Gegendruck für das Reibschweiß-Werkzeug 6 zu liefern.
Zur vertikalen Fixierung der Blechteile der Trägerteile A und B sind eine Anzahl Niederhalter 7 vorgesehen. Im Fall der 4 sind vier Niederhalter 7 dargestellt.
Der Schleppkern 3 trägt eine Anzahl so genannter Tragrollen 4 die, zusammen mit dem Schleppkern 3, den zwischen den Trägerteile A und B bestehenden Freiraum im Wesentlichen in der Höhe ausfüllen.
Damit der Schlepparm 11 zusammen mit dem Schleppkern 3 dem Vorgang des Verschweißens der beiden Trägerteile A und B folgen kann, wird er mittels eines Schlepparm-Schlittens 9 und einem entsprechenden Schlepparm-Antrieb auf einer Schlepparm-Bahn 10 mit der jeweils dem Schweißvorgang angepassten Geschwindigkeit bewegt.
Da die Länge des Schleppkerns und die Anzahl der Tragrollen variiert werden kann, ist es mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch möglich mehr oder weniger „kurvige” Schweißnähte herzustellen.
Die 5: zeigt eine weitere detaillierte Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung zur Schweißverbindung der Trägerteile A und B, bzw. 1 und 2.
Die an die Trägerteile A und B angrenzenden weiteren, jeweils unterschiedlich gestalteten Blechelemente sind der Übersichtlichkeit wegen nicht extra dargestellt.
Diese Darstellung zeigt einen Längsschnitt durch die Zeichnung der 4 etwa im Bereich der mittleren Anpress- und Transportrolle B. Im Vordergrund ist der Schlepparm 11 von der Seite zu sehen mit seiner Verbindung zum Schleppkern 3. Auf der Oberfläche des Schleppkerns 3 ist eine Oberflächenbeschichtung 12 aufgetragen um den Gleitvorgang des Schleppkerns 3 an der Unterseite der zu verschweißenden Trägerteile A und B zu erleichtern. Beispielhaft sei hier auf eine Hartchromschicht verwiesen. Die Anpress- und Transportrollen 8 sind in der 5 von der Seite dargestellt, wobei diese Anpressrollen 8 mittels eines jeweiligen Schwenkkopfs 16 an die Kontur des jeweiligen Trägerteils A oder B angepasst werden können. Zur Messung und der Kontrolle des jeweiligen Anpressdrucks der Anpressrollen 8 sind hier stilisiert Sensoren 17 auf beiden gezeigten Anpressrollen 8 eingezeichnet und auf der rechten Seite bezeichnet. Das Reibschweiß-Werkzeug 6 und die Niederhalter 7 sind aus der 4 bekannt. In der Ansicht der 5 ist eine Tragrolle 4 mit ihrer Schraffierung und ihre Verbindung mit dem Schleppkern 3 dargestellt. Die Tragrollenachse 14 dieser Tragrolle 4 ist beidseitig mit jeweils einem Piezo-Druckelement 15 mit dem Schleppkern 3 verbunden. Auf diese Weise lässt sich der Anpressdruck der Anpressrollen 8 an die Form der Trägerteile A und B während des Schweißvorgangs feinfühlig anpassen. Zum Schutz dieser Anpass-Vorrichtung dienen die Achsdeckel 13.
In einer besonderen Ausbaustufe werden zur Überwachung der Schweißnaht 5 und der Blechoberfläche von unten und von oben so genannte, nicht bezeichnete, Lichtfeld-Sensoren eingesetzt.
Hinsichtlich dieser verwendeten Lichtfeld-Sensoren, wird auf die neue Entwicklung der so genannten Minilinsen verwiesen, die in der Form von hunderten von Minilinsen nach dem Lichtfeldprinzip optische Informationen sammeln die dann später zu Bildern mit einer gewünschten Auflösung und/oder einem gewünschten Blickwinkel datentechnisch zusammengestellt werden können. Solche Minilinsen sind 3-D-fähig, billig herzustellen und folgen dem Prinzip eines Insektenauges.
Die komplexe Steuerung bei der Herstellung des beschriebenen Elements erfordert ein spezielles Steuerprogramm.
Bezugszeichenliste

1: Trägerteil A
2: Trägerteil B
3: Schleppkern
4: Tragrollen des Schleppkerns 3
5: Schweißnaht
6: Reibschweiß-Werkzeug
7: Niederhalter
8: Anpass- und Transportrollen
9: Schlepparm-Schlitten und Schlepparm-Antrieb
10: Schlepparm-Bahn
11: Schlepparm zum Transport des Schleppkerns 3
12: Oberflächenbeschichtung des Schleppkerns
13: Achsdeckel
14: Tragrollenachse
15: Piezo-Druckelemente zum Steuern des Drucks der Tragrollen
16: Schwenkkopf zur Anpassung der Anpressrollen 8 an die Form der Trägerteile A und B
17: Sensoren zum Messen und Steuern des Anpressdrucks der Anpressrollen 8

Claims

Vorrichtung zur passgenauen und schnellen Vorfertigung von Fassadenelementen aus Aluminium, wobei in Längsrichtung langgestreckte, in Querrichtung auf ihren beiden gegenüberliegenden Seiten abgewinkelte Trägerteile A und B mit ihren jeweiligen abgewinkelten Metallwinkeln mittels Rührreibschweißen verbunden werden, mit den folgenden Merkmalen: a) einer Lagerung beider Trägerteile A und B auf den Längsseiten einerseits zwischen einer Anzahl Anpass- und Transportrollen (8), wobei die zu verschweißenden Trägerteile von A und B einander gegenüber liegen und die Anpass- und Transportrollen (8) die beiden Trägerteile A und B bis auf einen schmalen, sich zu einem Reibschweiß-Werkzeug (6) hin verjüngenden Spalt zusammendrücken und andererseits auf einer ebenen Fläche, wobei die Anpass- und Transportrollen (8) während eines Schweißvorgangs die Trägerteile von A und B weiter transportieren, b) einen fingerartig in den sich verjüngenden Spalt von außen in den Innenbereich zwischen den Trägerteilen von A und B hineinragenden Schlepparm (11) mit einem, an den Schlepparm (11) angewinkelten und unter das Reibschweiß-Werkzeug (6) ragenden Schleppkern (3), wobei der Schlepparm in seiner Längsrichtung eine Anzahl von Tragrollen (4) trägt, die auf der Innenseite der, den zu verschweißenden Metallwinkeln von A und B gegenüber liegenden Metallwinkeln, entlangrollen, c) einer außerhalb der Längsseite der Trägerteile A und B lokalisierten Schlepparm-Bahn (10) auf der ein Schlepparm-Antrieb einen Schlepparm-Schlitten (9) mit dem angewinkelten Schlepparm (11) während des Schweißvorgangs zeitgleich in der Richtung des sich verjüngenden Spalts bewegt, d) einem Reibschweiß-Werkzeug (6) das an der Oberseite der zu verschweißenden Trägerteile von A und B die gewünschte Schweißnaht (5) liefert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich um das Reibschweiß-Werkzeug (6) von einer Anzahl Niederhalter (7) druckbelastet geführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpressrollen (8) mittels eines jeweiligen Schwenkkopfs (16) an die Kontur des jeweiligen Trägerteils A oder B angepasst werden können und, dass zur Messung und zur Kontrolle des jeweiligen Anpressdrucks der Anpressrollen (8) Sensoren (17) auf allen Anpressrollen (8) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Tragrollenachse (14) einer Tragrolle (4) beidseitig mit jeweils einem Piezo-Druckelement (15) mit dem Schleppkern (3) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Überwachung der Schweißnaht (5) und der Blechoberfläche von unten und von oben, sowie des Innenraums der verschweißten Bleche, Lichtfeld-Sensoren eingesetzt werden.
Verfahren zur passgenauen und schnellen Vorfertigung von Fassadenelementen aus Aluminium, wobei in Längsrichtung langgestreckte, in Querrichtung auf ihren beiden gegenüberliegenden Seiten abgewinkelte Trägerteile A und B mit ihren jeweiligen abgewinkelten Metallwinkeln mittels Rührreibschweißen verbunden werden, mit den folgenden Verfahrensschritten: a) Abkanten der Trägerteile A und B und Umbiegen der zu verschweißenden Metallwinkel, b) Lagerung der zu verschweißenden Metallwinkel einerseits zwischen einer Anzahl Anpress- und Transportrollen (8) und andererseits auf einer ebenen Fläche, wobei sich in den Innenraum der Metallwinkel über einen, zwischen den Metallwinkeln erzwungenen, sich in Richtung eines Reibschweiß-Werkzeugs (6) verjüngenden, Spalt, ein Schlepparm (11) mit einer Anzahl Tragrollen (4) erstreckt der einen Schleppkern (3) als Gegenlager zu dem Reibschweiß-Werkzeug (6) trägt, c) Beginn des Verschweißens der beiden Metallwinkel, wobei der Schleppkern (3) auf einer Schlepparm-Bahn (10) zeitgleich zum Fortschritt des Schweißvorgangs zum Ende der zu verschweißenden Metallwinkel weiterbewegt wird, d) Beenden des Schweißvorgangs nach Erreichen des Endes der Metallwinkel und Entnahme der verschweißten Trägerteile A und B zur weiteren Verarbeitung.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Anpressdruck der Anpress- und Transportrollen (8) mittels Sensoren (17) überwacht und gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragrollen (4) über zwei Piezo-Druckelemente (15) mit dem Schleppkern (3) verbunden sind um Verspannungen und Unebenheiten im Inneren der zu verschweißenden Bleche auszugleichen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Überwachung der Schweißnaht (5) und der Blechoberflächen von unten und von oben, sowie des Innenraums der verschweißten Bleche Lichtfeld-Sensoren eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Fertigungssteuerung mit der Unterstützung von CAD-Daten erfolgt.
Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung der Verfahrensschritte nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wenn das Programm in einem Computer ausgeführt wird.