Besuch im Fraunhofer-Institut

Bei dem Besuch in Halle am Institut Werkstoffmechankik konnten viele unserer Fragen geklärt werden. Das Fraunhofer-Institut beschäftigt sich schon seit langem mit Schweißverfahren von Folien. Mit der Technik des "Laserschweißens" lassen sich geschwungene Schweißnähte verwirklichen - eine Innovation im Vergleich zum thermischen Schweißverfahren.
Genau diese Laser-technik eignet sich für unser Projekt ideal, da die freie Form, die wir uns wünschen, anspruchsvolle Schnittmuster zur Folge hat, welche nur mit Laserschweißen wieder zusammengefügt werden können. Außerdem liegt der Vorteil des Laserschweißens in einer saubereren und schmaleren Schweißnaht. Verschiedene Farben und Transparenzen sind kombinierbar.
Wir werden weiter Formstudien betreiben müssen, da der Form aufgrund des Materials (ETFE-Folie, 0,2mm dick) Grenzen geboten werden. Das Material ist sehr gut druckbelastbar und dehnt sich bis zu 400% bis sie reißt. Das sind Vor- und Nachteile zugleich.
Die Folie wird der Druckbelastung eines Menschen standhalten, ist jedoch nicht so flexibel, wodurch man wahrscheinlich Krümmungen mit kleinem Radius nur sehr schwer ausbilden kann.
Wir werden nun versuchen größere Materialproben zu bekommen, um ein besseres Gefühl für das Material zu bekommen.
Das Fraunhofer-Institut hat uns angeboten uns bei der Formfindung und den Problemen bei der Fertigung zu unterstützen. Wir freuen uns auf die Zusammenarbeit.


Vielen Dank an:

Dipl.-Ing. Jörg Lucas (Polymerfolien und Polymergrenzflächen)

Prof. Dr. Andreas Heilmann (Geschäftsfeldleiter Biologische und makromolekulare Materialien)

Umsetzbare Formen

Durch weitere Versuche, über einfache Schnittmuster Formen zu finden sind verschiedene Pneus entstanden, welche man als Sitzgelegenheit verwenden kann. Diese wurden hier digital modelliert und maßstäblich Funktionen gegeben.
Im Gegensatz zu vorherigen Formstudien, die sehr komplizierte Kubaturen ausbildeten und damit schwer in ihrer Umsetzung gewesen wären, ist es uns hier gelungen, derartige Formen auch real im Modell umzusetzen.

Überarbeitung der Form

Durch genauere Überlegungen des Schnittmusters soll nun aus der eher willkürlichen Form ein Volumen entstehen, welches als Sitzgelegenheit geeignet sein könnte. Zum Fügen der einzelnen Membranteile sind wir zum Kleben mit Doppelseitigem Klebeband gekommen. Diese Methode führt zu schöneren und vor allem luftdichteren Nähten.

Entstanden ist jetzt eine Sitzgelegenheit mit Lehne und Sitzfläche.

Schnittmuster aufgeblasen

Um eine bestimmte äußere Form zu erhalten müssen Schnittmuster erstellt werden. Wir experimentieren zur Zeit mit einfacher Folie, die zerschnitten wird und durch Stecknadeln wieder zusammengefügt wird. Der Vorteil dieser Technik liegt darin, schnell verschiedene Formen auszuprobieren. Ein einfacher Computerlüfter dient als Gebläse, um das Pneu aufzuspannen. Wir erhoffen uns durch diese Versuche zu Kenntnissen zu gelangen, die uns später, im Schweißverfahren mit dickerer PVC-Folie, nützlich werden könnten. Die Probleme bleiben - durch dieses Verfahren können wir zur Zeit nur Auswölbungen nach Außen herstellen.

Der nächste Schritt wird sein, durch Verschnürungen auch Wölbungen nach Innen zu erreichen.

Fügen / Kleben / Schweißen

Nach dem optimieren des Schweißverfahrens wurde ein einfaches Schnittmuster erstellt um die Nähte einem Belastungstest zu unterziehen.

Parallel zum Belastungstest wurden praktische Formstudien betrieben. Die Form hält, jedoch erweist sich das "schweißen " dreidimensionaler Objekte als schwierig. Hierbei ist es sehr interessant wie man die letzte Schweißnaht durchführt.

Das Ergebnis des heutigen Versuchs ist

ein 10 x 10 x 10 cm großer Würfel.

Formgebung:

Die Möglichkeiten sind sehr vielfältig, jedoch stellen Vertiefungen immer ein Problem dar. Es wird etwa die gleiche Menge an Material für Auswölbungen wie für Vertiefungen benötigt. Somit wölbt sich die Fläche beim aufblasen immer nach außen. Hier kommen Zugverbindungen zum Einsatz, die es ermöglichen die Form nach innen zu ziehen. Jedoch ist dabei immer darauf zu achten das die Kraftverteilung eine sehr große Rolle spielt. Zieht man zum Beispiel mit 3 Seilen an einem Punkt so wölbt sich die Fläche an der alle 3 gleichzeitig ziehen 3mal so sehr als die an der jeweils nur einer zieht. Es kommt also auf die Verteilung der Angriffspunkte an. Bzw. ist es auch möglich eher flächig an der Form zu ziehen, um so eine gleichmäßigere Verteilung zu erreichen.

Fügen / Kleben / Schweißen

Zu Testzwecken wurde eine 0,5mm starke Folie mit 600g/m² verwendet. Diverse Fügearten wurden nun durchgeführt.

1. Der Vorteil beim "Kleben" ist, es sind keine Spuren von außen sichtbar. Jedoch dauert es lang und es entsteht keine 100% flexible Verbindung mit einer eher mittelmäßigen Festigkeit.

2. Das "Schweißen" stellt sicherlich die beste Möglichkeit dar Folien dieser Art zu fügen. Es entsteht eine sehr feste und zugleich flexible Verbindung mit einem eher geringem Zeitaufwand. Die äußere Naht ist sauber, besonders glatt und es gibt keine Klebeflecken.

Im oberen Bild wird der einzige Nachteil sichtbar. Die Naht nimmt nur in eine Richtung maximale Kräfte auf, belastet man sie um 90° versetzt zu dieser, lässt sie sich eher schwerlich ablösen.

Im Bild darunter sind diverse Schweißmethoden dargestellt, besonders fest erschien uns die Kreuzschweißmethode (rechts im Bild)

Form durch Funktion

Bei diesem Ansatz der Formfindung wurden erst mögliche Einzelfunktionen gestaltet. Diese sollen verschiedene bequeme und ergonomisch Sitz- und Liegepositionen ermöglichen.

Zu einer einzigen Form zusammengestetzt wird dadurch ein vielseitig nutzbares Objekt, die alle Funktionen in sich vereint. Man kann das Pneu auf unterschiedliche Seiten stellen und somit immer neue Nutzungsvarianten entdecken.

Um das zu erreichen musste beim Zusammensetzen darauf geachtet werden, wie die Einzelfunktionen zueinander liegen und wie sie bei unterschiedlicher Stellung zu verwenden und erreichen sind.

digital deforming part II

Hier nun die 2. Stufe des "deformers"

Nach zahlreichen Stunden der Formfindung haben wir uns auf 4 Funktionen festgelegt. Durch aneinander Reihung von diesen Funktionselementen entstand ein Grundgerüst, dieses wurde nun manuell Stück für Stück exakt verbunden.

Somit schließt sich der "deformer" in der 2. Dimension.

Hier gelb dargestellt ist das Polygonnetz, welches zugleich die 1 Stufe des Schnittmusters darstellt.

In part III geht es nun um die 3. Dimension und die Bildung eines Schnittmusters.

digital deforming part I

2D Linien werden zur grundsätzlichen Formgebung der einzelnen Funktionen verwendet. Diese Linien bekommen in allen 3 Dimensionen festgelegte Punkte im Koordinatensystem und werden somit exakt bestimmt. Reiht man diese in festgelegten Abständen aneinander, wird somit das Grundgerüst des "Deformers" gebildet. Zum Schluss berechnet der Computer die Hülle und spannt sie über das Liniengerüst.

Formstudien

Aufgrund der Komplexität der Antriebsvision, sind wir davon abgekommen und beschränken uns nun auf die Form. Ziel ist es ein Element zu entwickeln, dass verschiedene Funktionen aufweisen kann, je nach dem wie es liegt/steht. Denkbar sind Funktionen als ergonomische Liege/ Stuhl, Tisch, Höhle,...

Als Vorbild dient eine handelsübliche Luftmatratze, die durch Lamellen im Inneren ihre Form behält.

moving Antriebsvisionen

Für den Antrieb des "deformers" sollen zwei Ringe verwendet werden. Diese werden als Bewegungspfad für die zwei Servomotoren eingesetzt. Zueinander etwa um 30° verdreht bilden sie das individuelle
Antriebssystem.

Funktionsweise: Bewegung durch Gewichtsverlagerung