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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optisch einwandfreien und schnellen Vorfertigung von Fassadenelementen aus Aluminium mit Befestigungselementen.
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Der Begriff Fassade (lateinisch fades, das Angesicht) 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.
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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 die einzelnen Fassadenelemente so auf der sie haltenden Struktur zu befestigen, dass bei jeder Art von Sonneneinstrahlung keine Reflexe von irgendwelchen Schweißvorgängen sichtbar werden. Denn wird mittels eines herkömmlichen Schweißverfahrens beispielsweise ein der Befestigung dienender Bolzen von hinten auf ein Fassadenelement aus Aluminium aufgeschweißt, ist als Resultat auf der Vorderseite dieses Fassadenelements immer unter bestimmten Lichtverhältnissen ein schattenhafter Reflex zu sehen. Dieser Effekt setzt dem Einsatz solcher Fassaden, besonders unter künstlerischen Aspekten, gewisse Grenzen.
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Auch die reine Funktion der Befestigung solcher oder ähnlicher Fassadenelemente auf dem sie tragenden Baukörper ist in der Fertigung relativ aufwendig und teuer.
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Aus dem Stand der Technik sei hierzu beispielsweise auf die Druckschrift der
DE 10 2011 055 188 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.
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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.
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Für die Befestigung von Fassadenelementen ohne sichtbare Deckleisten ist dieses bekannte Montagesystem nicht geeignet.
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Andererseits ist es schwierig Fassadenelemente herzustellen die aus künstlerischen Gründen besonderen architektonischen Anforderungen genügen müssen und aus Aluminiumblechen mit Haltebolzen verschweißt werden müssen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung und ein Verfahren zu liefern mittels denen Fassadenelemente aus Aluminium optisch einwandfrei und schnell mit einem Befestigungswinkel derart vorgefertigt werden können, dass diese Fertigung relativ preiswert und optisch zufriedenstellend erfolgen kann. Außerdem soll die Haltekonstruktion der Fassadenelemente stabil und materialschonend hergestellt werden können.
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Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen im Einzelnen:
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1: eine Außenansicht eines zu realisierenden Fassadensystems
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2: eine Detail-Ansicht der Fassadenstruktur nach 1
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3: eine perspektivische Darstellung eines Schweißvorgangs
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4: eine detaillierte Seitenansicht der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung
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5: eine weitere detaillierte Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung
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1: zeigt eine Außenansicht eines zu realisierenden Fassadensystems bei einem der Repräsentation dienenden Zweckbau. Mit 1 sind in diesem Beispiel verschiedene, zu realisierende, Sichtelemente bezeichnet.
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Die 2 zeigt eine Detail-Ansicht der Fassadenstruktur nach 1. Der obere Teil a) der 2 zeigt eine herkömmliche Art und Weise der Befestigung eines Sichtelements 1 auf einer Unterkonstruktion 6. Die Unterkonstruktion 6 ist hierbei als Teil der Fassadenstruktur anzusehen der mit der jeweiligen Außenwand auf irgendeine Art und Weise fest verbunden ist. Das auf einer solchen Unterkonstruktion 6 befestigte Fassadenelement 1 wird in diesem gezeigten Beispiel mittels eines an der jeweiligen Außenwand angeschraubten Halterung 5 arretiert. In dem Beispiel geschieht dies dadurch, dass der herkömmliche Befestigungswinkel 3 mittels eines Gummi-Spannelements 4 in der Halterung 5 durch das Einschieben hinter eine Sperrnase arretiert und gehaltert wird.
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Zu diesem Zweck muss der herkömmliche Befestigungswinkel 3 an der gewünschten Stelle bezeichnet und mit einem Bohrloch versehen werden. Weiter muss ein Schraubbolzen 2 an dem betreffenden Sichtelement 1 an der gewünschten Stelle angeschweißt werden. Ferner muss der jeweilige Befestigungswinkel 3 auf den Befestigungsbolzen 2 aufgesetzt werden, es muss eine passende Beilagscheibe aufgelegt werden, es muss ein passender Federring oder eine Fächerscheibe aufgesetzt werden und zuletzt eine Mutter aufgeschraubt und mit einem passenden Drehmoment angezogen werden. Bei allen diesen Tätigkeiten ist jedoch bei normalen Schweißvorgängen die Stelle am Sichtelement 1 von außen sichtbar an der der Befestigungsbolzen 2 verschweißt wurde.
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Im unteren Teil b) der 2 ist ein Befestigungselement 7 zu sehen, das in der Form leicht verändert, in den äußeren Abmessungen jedoch befestigunstechnisch dem herkömmlichen Befestigungswinkel 3 entsprechend, lediglich mittels einer Schweißnaht 8 mit einem Sichtelement 1 verschweißt ist. Abgesehen davon, dass die entsprechende Schweißnaht 8 erfindungsgemäß leicht und schnell automatisch angebracht werden kann, ist an der Außenseite des Sichtelements 1 keine Spur dieser Befestigungsart zu sehen.
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Die 3: zeigt eine perspektivische Darstellung eines Schweißvorgangs.
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Auf der Innenseite eines Sichtelements 1 ist hier ein aufgelegtes Befestigungselememt 7 zu sehen, das von einem Schweißschuh 9 eines Reibschweißwerkzeugs kontaktiert und hierbei mittels einer Schweißnaht 8 mit einem flächenförmigen Sichtelement 1 verbunden wird. Das Sichtelement ist hierbei auf einer ortsfesten Vorrichtung zur folgenden Bearbeitung befestigt. Da eine solche Vorrichtung entsprechend der jeweiligen Form des Sichtelements verschieden ausfällt und vom Fachmann gestaltet wird ist sie nicht dargestellt. Der Schweißschuh 9 wird mittels einer Schweißschuhhalterung 10 von einer Werkzeugglocke 11 über einen, in der 3 nicht dargestellten Antrieb und dessen Steuerung, betätigt.
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Die 4: zeigt eine detaillierte Seitenansicht der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung.
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Hier ist wieder die Werkzeugglocke 11 zu sehen, die von einem Reibschweißkopf 12 angetrieben wird. Der Reibschweißkopf 12 kann über ein Portal oder eine Roboterbefestigung 13 gesteuert werden. Weiter ist hier der Schweißschuh 9 bezeichnet.
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An der rechten Seite des Reibschweißkopfs 12 sind ein Vertikalantrieb 14 und ein Horizontalantrieb 16 für ein Magazin für Befestigungselemente 18 (hier beispielhaft als Winkelmagazin 18 bezeichnet) angeflanscht.
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Dieses Winkelmagazin 18 bildet ein Vorratsmagazin für eine Vielzahl von, in ihm definiert gelagerten, Befestigungselementen. Das Winkelmagazin 18 kann mittels einer Magazinklappe 15 mit Befestigungselementen derart aufgefüllt werden, dass diese in definierter Lage übereinander auf einer schiefen Ebene zu liegen kommen, um somit jeweils in den Bereich eines Schweißvorgangs rutschen zu können.
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Der Achsialantrieb 17 des Winkelmagazins 18 dient der genauen Ausrichtung des Winkelmagazins 18 in Relation zu dem Schweißschuh 9.
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Zur Stabilisierung der Lage der Fügepartner beim Schweißprozess, nämlich dem Sichtelement 1 und dem Befestigungselement 7, sind Saugelemente 19 vorgesehen, die in der Darstellung der 4 nur von der Seite zu sehen sind.
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An den Seiten des Winkelmagazins 18 sind zur Führung des Befestigungselements 7 Spannbacken 20 vorgesehen, die in der Darstellung der 4 auch nur von der Seite zu sehen sind.
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Zur optischen Erfassung der Schweißstelle dient eine Kamera 29, die bevorzugt als Lichtfeld-Sensor 29 ausgebildet ist.
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Hinsichtlich dieses verwendeten Lichtfeld-Sensors, 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.
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Die 5: zeigt eine detaillierte Schnittdarstellungen der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung. In der oberen 5a) ist der Bereich um den Schweißschuh 9 in vergrößerter Ansicht dargestellt.
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So ist die Werkzeugglocke 11 zu sehen die die Schweißschuhhalterung 10 mit dem Schweißschuh 9 trägt, wobei dieser ein Befestigungselement 7 mit einem Sichtelement 1 über eine Schweißnaht 8 verbindet.
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Die auf dem Winkelmagazin 18 aufsitzende, in der 4 ebenfalls sichtbare, haubenartige Erhebung ist hier in der Vergrößerung als eine Art Begrenzungselement für die Führung der im Winkelmagazin 18 gespeicherten, auf einer Gleitschiene 24 gleitenden, Befestigungselement 7 auszumachen. Zur Fixierung einer exakten Lage dient hier zusätzlich ein Positionier-Anschlag 25, wobei ein Nivellier-Element 26 zur Fein-Positionierung des jeweiligen Befestigungselements 7 vorgesehen ist. Das gezeigte Saugerelement 19 haftet mit seiner Saugerlippe 27 auf dem Sichtelement 1.
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In der unteren 5b) ist der Bereich um die Schweißnaht 8 in vergrößerter Darstellung in der Draufsicht dargestellt.
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Hier sind die auf der rechten und der linken Seite eines aufliegenden Befestigungselements 7 platzierten beiden Spannbacken 20 zu erkennen die, durch die beiden doppelseitigen Pfeile dargestellt, mittels einer Stelleinheit 28 an die Lage des jeweiligen Befestigungselemennts 7 angedrückt, bzw. angepasst werden. Die beiden Saugerelemente 19 dienen der Stabilisierung der beiden Fügepartner, dem Sichtelement 1 und dem jeweiligen Befestigungselement 7, während des Schweißprozesses.
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In einer besonderen Ausführung ist für jedes Saugelement (19) eine gesonderte, nicht dargestellte, Vakuum-Pumpe vorgesehen, wobei der Luftdruck in jedem Saugelement (19) mittels eines Sensors separat erfasst und nachgeregelt werden kann.
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In den beiden Spannbacken 20 befinden sich zu beiden Seiten Aussparungen 21 die für den Einlauf und den Auslauf des Schweißpins im Schweißschuh 9 notwendig sind. Je größer dabei die Breite des jeweiligen Befestigungselements 7 gewählt wird, desto länger ergibt sich auch die Schweißnaht 8. Dies erhöht die Festigkeit des jeweiligen Sichtelements 1.
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Mittels des vorgestellten Reibschweißverfahrens wird zudem ohnehin die Festigkeit des jeweiligen Fassadenelements gegenüber herkömmlichen Befestigungs-Schweißverfahren erhöht.
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Als Sonderbauform kann das Befestigungselement 7 eine erhebliche Breite aufweisen, denn die Schweißnaht 8 erhöht in diesem Fall die Festigkeit eines Sichtelements in einem solchen Ausmaß, dass es, entsprechend der jeweiligen Konstruktionsanforderungen, selbst zu einem tragenden Element werden kann. Als Beispiel kann das Befestigungselement 7, und damit die Länge der Schweißnaht 8, sich über die gesamte Länge des Sichtelements erstrecken. Die Funktion der Spannbacken 20 relativiert sich dann natürlich.
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Die komplexe Steuerung der beschriebenen Bewegungsabläufe erfordert ein speziellen Algorithmus.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sichtelement
- 2
- Befestigungsbolzen mit Befestigungsmutter (Schraubbolzen)
- 3
- Befestigungswinkel herkömmlicher Art
- 4
- Gummi-Spannelement
- 5
- Halterung
- 6
- Unterkonstruktion
- 7
- Befestigungselement, beispielhaft ein Winkel
- 8
- Schweißnaht
- 9
- Schweißschuh
- 10
- Schweißschuh-Halterung
- 11
- Werkzeugglocke
- 12
- Reibschweißkopf mit Antrieb
- 13
- Portal- oder Roboterbefestigung für den Reibschweißkopf 12
- 14
- Vertikalantrieb für das Winkelmagazin 18
- 15
- Ladeklappe des Winkelmagazins 18
- 16
- Horizontalantrieb für das Winkelmagazin 18
- 17
- Achsialantrieb für das Winkelmagazin 18
- 18
- Magazin für Befestigungselemente (Winkelmagazin)
- 19
- Saugerelement
- 20
- Spannbacken für einen Befestigungswinkel 7
- 21
- Aussparung eines Spannbackens 20
- 22
- Schweißpin
- 23
- Gleit- und Führungsbogen für einen Befestigungswinkel 7
- 24
- Gleitschiene für einen Befestigungswinkel 7
- 25
- Positionier-Anschlag für das Oberteil eines Befestigungswinkel 7
- 26
- Nivellier-Element für die Feinpositionierung eines Befestigungswinkels
- 27
- Sauglippe
- 28
- Stelleinheit für die Spannbacken
- 29
- Kamera bzw. Lichtfeldsensor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011055188 A1 [0005]
- DE 202016001908 U1 [0010]
