Herstellung frei geformter, selbst tragender Faltstrukturen aus Stahlblech mit der inkrementellen Blechumformung (IBU)

Abstract

Blechumformung ist traditionell ein hochaufwendiger Prozess, der teurer Werkzeuge und Formen wie Gesenke oder Patrizen und zugehöriger Stempel bedarf, die erst bei hohen produzierten Stückzahlen rentabel werden. Aus diesem Grund beschränkt sich im Bauwesen der Einsatz umgeformter Stahlprodukte bisher auf die Verwendung von Halbzeugen wie z. B. Walzprofilen. Die inkrementelle Blechumformung (IBU), ein neuartiges Umformverfahren, arbeitet auf ganz andere Weise. Statt eines einstufigen Pressvorgangs, bei dem das Blech in Form gebracht wird, fährt ein Umformwerkzeug die Bauteilkontur in einem sequenziell ablaufenden Prozess mit lokaler Verformung ab, der sich mit einfachen Mitteln an die individuell herzustellenden Blechformen anpassen lässt. Die IBU stellt insofern einen hochflexiblen Prozess dar, der es möglich macht, Serien von geometrisch unterschiedlichen Bauteilen bei hoher Effizienz zu fertigen. Sie verspricht ein ideales produktionstechnisches Mittel für die Umsetzung des Leichtbauprinzips von Raumfaltwerken und mehrlagigen Faltungen zu sein, auf dessen Basis selbsttragende Hüll-und Fassadenkonstruktionen aus Feinblech für die Architektur und den Ingenieurbau gebaut werden können. Die tatsächlichen Eigenschaften und Bedingungen der konstruktiven und praktischen Umsetzung einer mit Hilfe der IBU hergestellten, frei geformten zweilagigen Hüllfläche wurde im Rahmen eines Forschungsprojekts zwischen dem Lehrstuhl für Tragkonstruktionen (TRAKO) und dem Institut für Bildsame Formgebung (IBF) an der RWTH Aachen untersucht.Free-formed, self-supporting folding structure made of metal sheets using the incremental sheet forming (ISF). Sheet forming is traditionally a costly process that requires expensive tools as well as forms such as winds or dies with customized punches, which are only profitable when producing high quantities. However, the incremental sheet forming (ISF), a novel forming technique, works highly differential. In contrast to the common single-stage jacking process, the incremental metal forming is a sequential process in which a forming instrument circumscribes the part contour and warps the sheet repeatedly. This process can easily be adjusted to a variety of individual thin sheet forms. In view of this fact, the ISF is a highly flexible process that allows to craft series of geometrically different components efficiently. ISF appears to be an ideal production-related instrument to realize the principle of lightweight constructions in space folding structures and multilayer folding structures that form the basis of self-supporting building envelopes or facades made of thin sheet. The actual characteristics and conditions of the constructive realization of a free-shaped, two-layered envelope formed with the incremental metal forming procedure has been analyzed during a research project

From Folds to Structures, a Review

“…Of course, the most simple way to turn a folded shape into a structure is making it not developable [107,108,109]. This is well illustrated by Gioia et al [37] were the Miura ori is generalized to geometries which are partially foldable so that in each configuration the pattern presents some structural capacity.…”

Leichtbaukonstruktionen aus Feinblech

“…Der Lehrstuhl Tragkonstruktionen (Trako) und das Institut für Bildsame Formgebung (IBF) an der RWTH untersuchen den Einsatz der IBU, um Leichtbausysteme für individuelle Anforderungen in der Architektur zu entwickeln. Es entstand die Idee, eine selbsttragende Hüllkonstruktion im Baumaßstab zu entwickeln und zu realisieren [4, 5]. Die herstellungstechnische Individualisierbarkeit wurde dazu genutzt, einen Demonstrator mit einer freien, dreidimensional gekrümmten geometrischen Form zu entwickeln, woraus durch Tessellierung der Fläche lauter geometrisch unterschiedliche Teilflächen entstehen würden.…”

“…Das erste Projekt (2011) eines räumlich gekrümmten und selbsttragenden Prototyps (Bild 1) basierte geometrisch auf dem Prinzip der Faltleichtbauplatten. Das sind zweilagige, biegemomentenaktive Blechkonstruktionen mit einer Lage bestehend aus Sechseckpyramiden und einer Lage aus ebenen, dreieckigen und gekanteten Blechtafeln aus rostfreiem Stahl 1.4404 mit einem Flächengewicht von 16 kg/m 2 (Bild 3) [4, 5].…”

A Unified Representation of Folded Surfaces via Fourier Series

“…As reference we consider an already built prototype (Trautz et al 2012;Hirt et al 2014). The self-supporting structure relies on a basis surface endowed with both positive and negative Gaussian curvature.…”