Entwicklung von Werkzeugen für die Rahmenprofilherstellung mittels FFF-Verfahren

In der traditionellen Bauweise stellen Fenster nur etwa 10 bis 20 % der Außenhülle eines Gebäudes dar. Dennoch erfolgt durch sie der größte Verlust an Wärmeenergie. Aus diesem Grund ist im Projekt die Entwicklung eines erweiterten Window Energy Management Systems (WEMS) mit integrierter Wärmespeicherung und Verschattung geplant, um nicht nur die Energieeffizienz sondern auch den Wohnkomfort zu verbessern.

Im Mittelpunkt des Forschungsprojekts steht die Entwicklung von individuell an bestehende Fenster anpassbaren gerahmten Fensterfolien mit Wärmespeicher und Verschattungselementen. Im Rahmen des Teilthemas, „Entwicklung von Werkzeugen für die Rahmenprofilherstellung mittels FFF-Verfahren (Fused Filament Fabrication)“ werden ausgehend von einer zu definierenden Prozesskette und einem vorgegebenen Design Werkzeuge mit diesem additiven Fertigungsverfahren aufgebaut. Mit dem Fokus auf Individualität und kurzen Reaktionszeiten bietet sich diese neue Art der Werkzeugherstellung an, denn die etablierte konventionelle Vorgehensweise erfolgt meist iterativ von einer Startkonfiguration über Tests, konstruktive Anpassungen und mechanische Nacharbeiten bis zum Zieldesign und ist sehr zeit- und kostenintensiv.

Für die am Fraunhofer IFAM geplante Prozessentwicklung im FFF-Bereich muss der zu definierende Werkstoff zunächst in ein verarbeitbares Filament umgesetzt werden. Mit diesem Filament werden auf den Anlagen des Fraunhofer IFAM Druckversuche zur Ermittlung der Druckparameter durchgeführt. Ziel der Untersuchungen ist es, nach der thermischen Behandlung Sinterdichten > 97 % zu erhalten, wobei die geforderte Endformnähe des Bauteiles gewährleistet sein muss.

Sowohl das zu entwickelnde Extrusionswerkzeug als auch das erforderliche Kalibrierwerkzeug zur Stabilisierung der Profilgeometrie der Rahmen soll die Funktionalität der gezielten Temperierung besitzen. Gerade hierfür bieten sich die neuen geometrischen Freiheitsgrade der additiven Fertigung an. Eine Möglichkeit ist die Integration von Strömungskanälen zur Temperierung mittels Fluid. Diese Funktionalität soll zunächst simulationsgestützt durch das Fraunhofer IFAM ausgelegt werden. Zusammen mit den Projektpartnern erfolgt die konstruktive Umsetzung aus den Simulationsergebnissen heraus.

Im Fraunhofer IFAM werden auf Basis des Werkzeugdesigns kritische Bauteildetails analysiert und deren Auswirkung auf die Endformnähe untersucht. Nach dem Druck der Strukturen wird in einem iterativen Prozess die Endformnähe bestimmt und die Geometrie angepasst. Für die Erreichung der notwendigen Oberflächengüte werden zwei Strategien genutzt. Zum einen können bereits im ungesinterten Grünzustand durch die geringe Festigkeit sehr leicht Oberflächen modifiziert werden und ggf. weitere nicht druckbare Geometriefeatures integriert werden. Zum anderen kann bei Erfordernis ein Finish der Oberfläche nach dem Sintern erfolgen. Die Analyse der Endformnähe und Oberflächengüte wird mittels zerstörungsfreien Prüfverfahren wie 3D-Lasermikroskopie oder laserbasierte Streifenprojektion durchgeführt.

Mit den gefertigten Werkzeugen werden Extrusionsversuche durchgeführt und Prozessparameter variiert, um die geforderte Qualität zu erreichen. Entsprechend der Ergebnisse werden in Absprache mit den Projektpartnern konstruktive Anpassungen am Werkzeug vorgenommen.

Im Ergebnis der Entwicklungsarbeiten aller Projektpartner wird ein modulares Gesamtsystem aufgebaut, an dem nicht nur die Marktfähigkeit des Window Energy Management Systems nachgewiesen werden kann, sondern auch wesentliche Aspekte zum effektiven Fertigungs- und Montageprozess und der Bedienung im Alltag abgeleitet werden können.

Das Vorhaben leistet einen Beitrag zur Verringerung des CO₂-Ausstoßes und Minderung des Energieverbrauches durch Verbesserung der Energieeffizienz von Gebäuden durch die Nachrüstung verschiedener Komponenten (WEMS, Wärmespeicher, Verschattung) an bestehende Fenster.