Weiter auf dem geklebten Weg
Der Glas-Rahmen-Verbund spielt immer noch eine wichtige Rolle im Fensterbau. Bild: 1A Hunkeler AG
Glasanbindung. Im Fensterbau haben sich verschiedene Klebetechnologien etabliert. Forschung und Entwicklung gehen trotzdem weiter, denn in den Bereichen der Statik, der Produktions- und der Materialoptimierung gibt es nach wie vor viel Potenzial.
Die Entwicklung des geklebten Glasrahmenverbundes stellte einen Meilenstein in der Fenstertechnik dar. Die Klebetechnologie hat sich inzwischen etabliert und wird – zum Teil in Kombination mit anderen Techniken – verbreitet eingesetzt. Seit einigen Jahren liegt der Fokus in der Fensterbranche eher auf der Verbesserung der Montage und der Logistik. Denn Untersuchungen hatten gezeigt, dass viele Bauschäden im Fensterbereich auf mangelhafte Abdichtungen und Anschlüsse an den Baukörper zurückzuführen sind.
Klebebänder bieten Chancen
Forschung und Entwicklung der Klebetechnologie im Fensterbereich schreiten aber trotzdem weiter voran. So haben die Hersteller nicht nur ihre Flüssigklebstoffe laufend verbessert, auch die doppelseitigen Klebebänder rücken vermehrt in den Fokus. Sie sind in der Handhabung einfacher als Flüssigklebstoffe und ermöglichen weitere Prozessoptimierungen. Mit der 1A Hunkeler AG in Ebikon LU setzt ein Schweizer Fensterbauer schon seit 2007 auf solche Klebebänder (siehe Interview auf Seite 10).
Ein Nachteil von doppelseitigen Klebebändern kann sein, dass sie beim Einsetzen des Glases unmittelbar haften. Ein leichtes Ausrichten ist dann praktisch nicht mehr möglich. In automatisierten Produktionsanlagen lässt sich das mit der entsprechenden Technik gut lösen. In eher handwerklichen Produktionen oder bei Spezialanfertigungen sind technische Lösungen aber nicht immer umsetzbar. Eine praktikablere Variante ist das partielle oder vollständige Entfernen der zweiten Schutzfolie, nachdem das Band in den Flügelrahmen geklebt wurde. Diese Stellen befeuchtet man mit einer speziellen Flüssigkeit, die verhindert, dass das Glas dort sofort klebt. So kann die Scheibe noch ausgerichtet werden. Durch das Andrücken des Glases wird dann die Flüssigkeit aus dem Band gedrückt, wodurch die Klebeverbindung aktiviert wird.
Klebeband mit Abstand
Dieses Vorgehen bedingt allerdings einen zusätzlichen Arbeitsschritt. Und durch das Befeuchten kann es anschliessend Probleme mit anderen Klebstoffen und Versiegelungen geben. Die deutsche Klebstoffentwicklerin Lohmann GmbH hat deshalb ein zweiteiliges Klebesystem zum Patent angemeldet. Nebst dem eigentlichen, doppelseitigen Klebeband dient ein separates, nur einseitig haftendes Band als Abstandhalter. Das Glas lässt sich so ausrichten und durch Andrücken definitiv fixieren.
Gemäss Lohmann gibt es aber im Moment noch keine Anwendung dieses Systems in einer Serienfertigung. Denn die Schwierigkeit bei dieser Klebelösung ist das exakte, parallele Anbringen der beiden Streifen. Man arbeite aber weiter an einer Lösung, heisst es beim Unternehmen.
Flüssigverklotzung liegt auf Eis
Ein weiteres grosses Thema ist nach wie vor die Statik der Fensterelemente. Dazu gehört auch das Verklotzen der Glasscheiben: Oft wird dies immer noch von Hand ausgeführt. Das heisst, die Qualität hängt in diesem Bereich wesentlich vom ausführenden Mitarbeiter ab. Die im Bereich Verbindungstechnologien tätige Nolax AG aus Sempach Station LU hat deshalb zusammen mit der Berner Fachhochschule (BFH) ein System zur Flüssigverklotzung entwickelt. Dabei wird mit einem Gerät ein spezieller, reaktiver Kleber als Verklotzung eingespritzt. Dieser härtet innert Sekunden aus, damit das Fenster weiterbearbeitet werden kann. Zurzeit gibt es aber auch hier noch keine Serienanwendung in der Praxis, weil die Erstinvestitionen nicht unerheblich sind. Das Projekt liegt deshalb momentan auf Eis.
Fenster im Detail simulieren
Die Experten der BFH forschen ausserdem an Simulationen für die statische Berechnung von Fensterelementen. Bisher wurden solche Werte vor allem durch Belastungstests ermittelt. Um für den Fensterbauer eine aussagekräftige Tabelle für das Herauslesen der maximalen Fensterdimensionen zu erhalten, braucht es zahlreiche solche Versuche. Das ist aufwendig und teuer, weil unterschiedliche Prüfkörper vorbereitet und getestet werden müssen. Die Vielfalt an Werkstoffen, Beschlägen, Klebetechnologien und Gläsern macht derartige Unterfangen nochmals aufwendiger.
Genau hier liegt der springende Punkt: Die BFH will die Werte eines Fensterelementes in einer Simulation auf einzelne Detailbereiche herunterbrechen. Das Augenmerk liegt dabei auf den Kleb- und Dichtstoffen sowie Klebebändern (Acrylat, PU, Silikon). Untersucht werden auch die Fenstergeometrie, Anordnung der Klebefuge und Verklebungsart. Im Weiteren geht es um die Modellierung von Materialeigenschaften, statischen Anforderungen und Effekten sowie um Versagensmechanismen.
Die Resultate überprüfen
Das Zusammenspiel all dieser Parameter lässt sich bei einer geklebten Glas-Rahmen-Konstruktion zwar bereits weitgehend am Bildschirm simulieren. Dies geschieht mit der Finite-Elemente-Methode (siehe Kasten auf Seite 9). Entscheidend ist, dass diese Resultate in der Realität auch stimmen. Das Forschungsprojekt umfasst deshalb zusätzlich die Überprüfung der Ergebnisse mittels optischer Messmittel.
Dafür kommt die digitale Bildkorrelation zum Einsatz (siehe Kasten). Die in Biel vorhandene Prüfanlage der Berner Fachhochschule misst die Verformungen mit einer Genauigkeit im Bereich von 1/100 mm. Das stützt die Zuverlässigkeit der Forschungsergebnisse: Die bisher gefahrenen Versuchsreihen mit dem Lastfall «Vertikallast» bestätigen die mittels FEM errechneten Stabilitätswerte für geklebte Glas-Rahmen-Konstruktionen weitgehend. Die Validierung der Forschung zu modellierten Verklebungen ist damit auf gutem Weg.
Die Forscher der BFH sehen im Bereich der geklebten Glas-Rahmen-Konstruktionen noch einiges an Potenzial. Mithilfe zuverlässiger Simulationen könnten diese bezüglich Statik und Kosteneffizienz – insbesondere auch in der Entwicklung – noch weiter verbessert werden.
- SchreinerZeitung: Herr Hunkeler, wieso haben Sie im Jahr 2007 auf ein duales Klebeverfahren umgestellt?
- Rolf Hunkeler: In erster Linie ging es damals darum, die bereits 17 Jahre alten Produktionsanlagen und Fenstersysteme zu ersetzen. Wir hatten insgesamt sieben verschiedene Fenstersysteme im Einsatz.
- Wie kamen Sie dann auf das Verfahren, ein Klebeband im Verbund mit Flüssigklebstoff einzusetzen?
- Unser neues System sollte modular aufgebaut sein, ähnlich wie das in der Autoindustrie gemacht wird. Dort verwendete man schon länger solche Klebesysteme. Durch das Verkleben konnten wir zudem Material beim Profil einsparen und gleichzeitig eine rahmenlose Optik erzielen.
- Welche Vorteile bietet dabei das duale Klebeverfahren?
- Mit dem Klebeband wird die Glasscheibe beim Einsetzen sofort fixiert. Danach können wir mit einem 1-Komponenten-Silikon den Falzgrund abdichten und den Flügel sofort weiterverarbeiten.
- Gab es Schwierigkeiten bei der Entwicklung?
- Wir mussten zum Beispiel die Maschine für das Aufbringen des Klebebandes und das anschliessende Abdichten mit Silikon komplett selber entwickeln. Das ganze Verfahren liessen wir deshalb auch patentieren.
- Und mit dem Klebeband selbst gab es keine Schwierigkeiten?
- Dieses wurde natürlich inzwischen auch weiterentwickelt, wir verwenden heute nicht mehr das gleiche wie am Anfang.
- Wo lag das Problem?
- Die Schwierigkeit ist es, einen Lieferanten zu finden, der eine gleichbleibende Qualität bereitstellen kann. Beim ersten Lieferanten kam es plötzlich vor, dass sich das Band zusammenzog, was optisch und technisch nicht ideal war. Ausserdem kann es je nach Produkt grosse Unterschiede bei der Klebekraft geben.
- Würden Sie heute nochmal auf das duale Klebesystem setzen?
- Ja, die Umstellung hat sich für uns defini- tiv gelohnt. Ausserdem konnten wir noch andere positive Begleiterscheinungen beobachten. So erreichen wir durch die zwei Klebe-Ebenen eine bessere Torsionsfestigkeit des Flügels, auch die Schalldämmwerte fallen besser aus. Zudem ist durch die Silikonabdichtung der Glasrandverbund rundherum abgedichtet und zusätzlich geschützt.
- Die Umstellung ist nun auch schon 13 Jahre her. Wie geht es weiter?
- Erst kürzlich haben wir unsere Anlage um ein automatisches Glaslager erweitert, das die Scheiben chaotisch lagert. Und wir haben in eine komplett neue Oberflächenbeschichtungsanlage investiert. Vom Fenstersystem her wird die nächste Generation wohl ähnlich aufgebaut sein wie heute.
Messmethoden
Finite-Elemente-Methode (FEM)
FEM ist ein nummerisches Verfahren. Es ermöglicht Festigkeits- und Verformungsuntersuchungen von komplexen geometrischen Formen und Kräfteverhältnissen und berücksichtigt dabei das spezifische Materialverhalten. Indem man Kräfte, Lasten und Randbedingungen für eine endliche Zahl von Elementen erfasst, lässt sich das physikalische Verhalten des Gesamtkörpers abbilden und bereits am Bildschirm optimieren.
Digitale Bildkorrelation (DIC)
DIC ist ein kamerabasiertes Verfahren zur berührungslosen Verformungsmessung. Es wird überwiegend zur Materialprüfung und bei mechanischen Komponententests eingesetzt.
Während der Verformung zeichnen eine oder mehrere Industriekameras Bilder des Bauteils auf. Verschiebungen und Dehnungen in der Bauteilebene lassen sich mit nur einer Kamera bestimmen. Mit zwei Kameras können 3D-Verschiebungen und Dehnungen auf beliebigen Objektgeometrien gemessen werden. Als Anhaltspunkte dient die natürliche Oberflächenstruktur oder ein speziell aufgebrachtes Punktemuster.
Veröffentlichung: 14. Mai 2020 / Ausgabe 20/2020
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