Integratio® - Forum

Entwicklung bei Kunststoffenstersystemen

5. Fachtagung am SKZ
Süddeutsches Kunststoff-Zentrum
Neuigkeiten in der Extrusion
24. und 25 Mai 2000

Das Büro Integratio - der Name steht für die Gesamt- bzw. Systemsicht - wurde 1972 von Hans Udo Reichstadt* als Arbeitsgemeinschaft von Fenster-Fachingenieuren gegründet und später in eine GmbH überführt. Namhafte Systemgeber und Unternehmen der Kunststoff- und Aluminium-Fensterbranche zählen seit Jahren zum Kreis der Geschäftspartner.

Für die Entwicklung und die Dokumentationen von Fenster-, Tür- und Fassaden-Systemen aus Kunststoff und/oder Aluminium wird mit modernsten Hilfsmitteln gearbeitet. CAD, DTP, interaktive digitale Fensterhandbücher, Erstellung und Pflege von HomePages bzw. WebSites für das Internet, QM-Handbücher für den Elementebereich usw. gehören zum Standard-Leistungsumfang von Integratio.

* Hans Udo Reichstadt ist seit vielen Jahren als Sachverständiger für das Fachgebiet Fenster- und Türkonstruktionen aus Kunststoff und Aluminium von der IHK zu Düsseldorf öffentlich bestellt und vereidigt, Mitglied des Sachverständigen-Bestellungsausschusses, einschlägiger Fachgremien, Qualitätsbeauftragter DGQ usw.

Sollte direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z.B. DIN, VDI) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann keine Gewähr für Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität übernommen werden.

Nachdruck und Vervielfältigung ist - auch auszugsweise - nur mit schriftlicher Genehmigung gestattet; schreiben Sie uns an.

Diese Unterlagen sollen dem Interessierten einen Überblick geben; für die Richtigkeit kann keine Haftung übernommen werden.

Ausgabe: April/Mai 2000

Inhaltsverzeichnis

Vollkunststoffenstersysteme aus PVC
Eine kurze Rückschau
Zubehör- und Beschlagtechnik
Viel- bzw. Mehrkammersysteme
Einkammersysteme

Gründe für den Erfolg von Fenstersystemen aus PVC
Wartungsfreiheit
Energieeinsparungsgesetz, Fördermaßnahmen
Rahmen und k-Werte der Fenster
Konzentration, Preisdruck und konstruktive Folgen
Biege-E-Modul von PVC im Fensterbau
Profiloptimierung und Eckenfestigkeit
Statik-Probleme mit Kunststoffenstern leicht lösbar

Entwicklungen zur Wärmeisolierung
Reflexionsschichten
Größere Konstruktionstiefen
Anschlußausbildung und Randeinflußfaktor
Perspektiven durch Änderungen des Regelwerks

Kunststoff-Alternativen zum Werkstoff PVC
Faserstoffgefüllte Profile
Dampfdruck-Diffusionswiderstand beachten
Mischpolymerisate
Faserstoffgefüllte Kunststoffe
Eckenverbindung
Kunststoffenster für zukünftige Märkte

Resümee

Vollkunststoffenstersysteme aus PVC

Der Wunsch nach Produkten, die einen geringeren Pflegeaufwand erfordern, muß Ursache für die Entwicklung der ersten Kunststoffenster gewesen sein. Wie sonst kann erklärt werden, daß zuerst Stahl- und Holzprofile mit PVC-Koextrusionsschichten in den Markt kamen. Die Entwickler wußten nicht, daß gerade die besonders gut gepflegten und immer “gut lackierten" Holzfenster “von innen her verrotteten", weil die in den Querschnitt eingedrungene Feuchtigkeit durch die vergleichsweise diffusionsdichte Lackschicht nicht audiffundieren konnte. Wie wäre sonst ein Holzfenster mit PVC-Koextrusionsschicht - Monzaplast oder ähnliche Konstruktionen in der damaligen DDR - zu erklären. Im Zusammenhang mit Kunststoff-Alternativen zum Werkstoff PVC werde ich noch einmal auf die Zusammenhänge bezüglich Diffusionsdichte, Taupunktbildung usw. eingehen.

Für die Entwickler derartiger Konstruktionen wurde schnell klar, daß es einen Grund bspw. für die rasche Schädigung des Holzes geben mußte; hinzu kamen Probleme bei der Eckverbindung und verbesserte Konstruktionen bei den sogenannten Vollkunststoffenstern.

Eine kurze Rückschau

Zubehör- und Beschlagtechnik

Heutige Fenster werden unter Berücksichtigung vorhandener Regelwerke und bestehender Industriestandards konstruiert. Vor 30 Jahren kannte man aber Beschlagsysteme mit kraftübertragenden Schubstangen im Flügelüberschlag, Getriebeschienen in Breiten zwischen 16 und 24 mm, u-förmige Getriebeschienen usw.

Die Fenster erhielten zumeist Einfachglas. Mangelhafte Steifigkeit machte den Einsatz der mit Aluminium- und Holzfenstern zunehmend in den Markt drängenden Einhandbeschläge problematisch. Bei geringer Windbelastung mußte der Flügel mit der zweiten Hand angedrückt werden, um eine Fehlbedienung zu verhindern. Und wenn diese denn mal entstanden ist, mußte ein Fensterfachmann geholt werden, um den Beschlag wieder in Funktionsstellung zu bringen, weil die fehlbedienungssicheren Drehkippscheren noch nicht bekannt oder üblich waren.

Schmale Dichtungsnuten führten häufig zu Problemen, weil die dadurch erforderlichen Toleranzvorgaben in der Praxis sowohl beim Fenster- als auch beim Dichtungsprofil nicht eingehalten werden konnten. Geeignete Elastomere wurden erst mit peroxydisch vernetztem APTK/EPDM vor ca. 30 Jahren als Dichtungen angeboten.

Viel- bzw. Mehrkammersysteme

Die Vorstellung der Entwickler der ersten Fenstersysteme waren eher davon bestimmt, die Anforderungen an die Fensterrahmen durch die Konstruktion und Dimensionierung der Profile allein unter Berücksichtigung des Rahmenmaterials - Hart-PVC - und der Profilgeometrie erfüllen zu wollen.

Typische Systeme dieser ersten Jahre sind "Raucron 1", "Gevo A1" und "Polycella, Serie 500".

Letzteres sollte ohne Verstärkung alle auf ein Fenster der späten 60er Jahre wirkenden Lasten und Kräfte übernehmen und auf das Mauerwerk übertragen. Dabei waren die Flügel zumeist nicht mit Isolierglas versehen und entsprechend wenig verwindungssteif. Die Profile des Systems “Raucron 1" sollten bei höheren Lasten mit einem Stahlrohr von 30 x 20 verstärkt werden. Diese waren in Wanddicken von max 3 mm lieferbar; das Trägheitsmoment betrug also max. 2,89 cm4. Damit konnten bspw. frei gespannte Träger bzw. Rahmenteile von 148 cm Länge gebaut werden, wenn das Fenster für Beanspruchungsgruppe B, also für Flächenlasten von 0,96 kN/m2 (96 kp/m2) ausgelegt war. Bei der Betrachtung bin ich von einer Streckenlast mit einer Lastfeldbreite von 50 cm ausgegangen und einer max. Durchbiegung von 1/300 der frei gespannten Länge; einer Forderung aus DIN 18055 und der Glasindustrie.

Naturgemäß erkannte man schnell die Grenzen derartiger Konstruktionen; war doch schon bei Beanspruchungsgruppe A (bis 8 m über Gelände, 0,6 kN/m2 bzw. 60 kp/m2) für eine übliche Wohnzimmer-Fensterwand aus Balkontür und daneben angeordnetem Festteil mit gleicher Höhe in der Addition der Trägheitsmomente insgesamt ca. 19 cm4 erforderlich.

Einkammersysteme

So war es naheliegend, daß bspw. die “Combidur-Profile" als Einkammerprofile ausgelegt waren, technisch problematische Röhrchen-Entwässerungen ausgeführt werden mußten usw. Mit der abgebildeten Verstärkung (ca. 10/32/48/28/8 x 1,5 mm) wurde Ix ca. 6,6 cm4 erreicht; demgemäß war ein Kopplungsbereich aus Festteil und Balkontür ausreichend zu dimensionieren.

Einheitliches Zubehör (bspw. sogenannte Euronorm-Beschläge), Vertriebsargumente wie “Dreikammerprofil" usw. haben die Systeme verändert. Die Dicken der Innenstege wurden zunehmend reduziert, allein um negative Auswirkungen auf die Profilgeometrie durch nachträgliches Abkühlen zu verhindern. Usw.

 

Gründe für den Erfolg von Fenstersystemen aus PVC

In den späten 60ern und zu Beginn der 70er Jahre hatte das Kunststoffenster einen Marktanteil von unter 10 % und der Beschaffungspreis lag höher als der eines vergleichbaren Holzfensters. Kunststoffe wurden von der technikfreundlich eingestellten Gesellschaft positiv bewertet und die schlechte Qualität der Holzfenster aus den frühen Jahren des Wiederaufbaus wurde auf Holzfenster allgemein übertragen. Beim Ersatzbedarf spielten die schlechten Erfahrungen mit Holzfenstern und die scheinbare Wartungsfreiheit der Kunststoffenster eine große Rolle.

Wartungsfreiheit

Das glaubwürdig erscheinende Argument der Wartungsfreiheit und die ständig steigenden Lohnkosten haben den Vertrieb erleichtert. So war die Wirtschaftlichkeit auch in der Zeit der hohen Marktpreise ein entscheidender Grund für die rasch steigenden Marktanteile.

Energieeinsparungsgesetz, Fördermaßnahmen

Den meisten wurde spätestens durch die erste Energiekrise Anfang der 70er Jahre der Ernst der Lage bewußt. Autofreie Sonntage und eine Geschwindigkeitsbegrenzung regten zum verstärkten Nachdenken an. Durch effizientere Verfahrenstechniken konnte die Nutzung fossiler Energieträger reduziert werden. Gegenüber 1973 hätte entsprechend dem Bruttosozialprodukt-Wachstum 1988 der Primärenergieverbrauch 480 Mio t SKE/a betragen. Tatsächlich betrug er - durch effizientere Nutzung wurde eine Einsparung von 70 Mio t SKE/a erzielt - jedoch lediglich 390 Mio t SKE/a. Weitere 20 Mio t SKE/a betrug die Minderung durch strukturelle Veränderungen. Als wohl wichtigste Energiequelle wurde die Energieeinsparung erkannt. Es wurden das Energieeinsparungsgesetz (1976) und Förderprogramme verabschiedet - der Kunststoffenstermarkt boomte.

Bis dahin bestanden die Aufgaben des Wärmeschutzes darin, Grundlagen für die wirtschaftliche Erwärmung und Kühlung des Gebäudes zu schaffen. Die Umstände und Bedingungen zur Erzielung physiologischer Behaglichkeit waren den Fachleuten bekannt; wurden aber von der Fensterbranche zumeist außer acht gelassen. Auch großflächige Elemente, d.h. Hebeschiebetüren und ähnliche, wurden (und das noch nicht einmal immer) mit normalem Zweischeiben-Isolierglas ausgestattet.

So war es eine Folge der Umstände, daß eine Wärmeschutzverordnung erstmalig 1977 erlassen und diese im Februar 1982 (erlangte am 1. Januar 1984 Gesetzeskraft) novelliert wurde. In Folge der Klimaschutzstrategie der Bundesrepublik Deutschland sollte der Ausstoß energiebedingter CO2-Emissionen als Hauptverursacher des Treibhauseffektes bis zum Jahre 2005 um 25 % in den alten und 30 % in den neuen Bundesländern, bezogen auf das Emissionsvolumen des Jahres 1987, reduziert werden. So wurden die Anforderungen an die Umfassungsbauteile eines Gebäudes - und dazu sind die Fenster zu zählen - in der WSchV ´95 (seit 1. Januar 1995 Gesetz) noch einmal erhöht.

Rahmen und k-Werte der Fenster

Die veränderten Vorgaben bezüglich Transmissions- und Lüftungswärmeverluste bestätigten das Kunststoffenster erneut; bestätigten die Erfahrungen - die vergleichsweise geringen Dichtigkeitsprobleme über den gesamten Nutzungszeitraum selbst bei mangelhafter Pflege und Wartung. Kunststoffenster sind gemäß DIN 4108 (Tabelle 3, Teil 4) der Rahmengruppe 1 zuzuordnen; der dafür einzusetzende k-Wert: (< 2,0) 1,9 W/m2 K.

Konzentration, Preisdruck und konstruktive Folgen

Der anhaltende Erfolg, die Subventions-Einflüsse und ständig steigende Marktanteile des Kunststoffensters führten auch zum Aufbau von Überkapazitäten, daraus resultierendem Wettbewerb, zur Konzentration, zum Preisverfall, zur Optimierung der Konstruktionen usw.

Biege-E-Modul von PVC im Fensterbau

Ein kleiner Ausflug in die "Statik der Kunststoffenster" verdeutlicht die Veränderung der (Ein-?) Sicht. So wurde bereits 1983 nachstehender Beitrag veröffentlicht:

Die Bewertung des Biege-E-Modul von PVC im Fensterbau überdenken?

Bisher wurde für PVC (wie es im Fensterbau verwendet wird) ein Biege-E-Modul von 25.000 kp/cm2 bzw. 2.500 N/mm2 angegeben. Bei der Ermittlung zulässiger freier Spannweiten für unverstärkte Profile wurde dieser Wert in der Statik berücksichtigt. Das Büro Integratio teilt nun mit, daß dieser Wert so nicht mehr in die statische Berechnung einfließen sollte. Bei Untersuchungen durch das Büro Integratio in Zusammenarbeit mit einem Großunternehmen der chemischen Industrie an extrudierten Fensterprofilen unterschiedlicher Hersteller und aus verschiedenen “Rohstoffen" haben sich Werte ergeben, die zu einem Überdenken dieses Wertes führen sollten.

Bei zunehmend härter werdendem Wettbewerb sucht jeder Hersteller nach Einsparmöglichkeiten. So lag es nahe festzustellen, bis zu welcher Flügelbreite ohne Mittelverschluß gearbeitet werden kann. Diese Werte lassen sich aufgrund statischer Berechnungen für die unterschiedlichen Gebäudehöhen (Windlasten) leicht errechnen. In diese Rechnungen fließt das Trägheitsmoment eines Profils und der Biege-E-Modul des Materials ein. Die Techniker des Büros Integratio haben Prüfstandsversuche mit Fenstern gefahren, die bis zu dieser theoretischen Maximalabmessung gingen und mußten dabei feststellen, daß die Durchbiegung über den rechnerisch ermittelten Werten lagen. Es war festzustellen, weshalb diese (negativen) Differenzen entstanden bzw. woraus sie resultierten.

Es wurde ein Versuchsprogramm durchgeführt, innerhalb dessen verschiedene Profile getestet wurden. Sämtliche Profile wurden bei Raumtemperatur, bei konstanter freier Spannweite (in beweglichen Lagern) mit unterschiedlicher Punktlast beaufschlagt. Die jeweils entstandene Durchbiegung wurde gemessen.

Aufgrund der errechneten oder bekannten Trägheitsmomente war es nun leicht möglich, den E-Modul-Wert rechnerisch festzulegen oder besser, den bisher eingesetzten Wert zu überprüfen. Hierbei hat sich ergeben, daß der zur Zeit verwendete Wert von 25.000 kp/cm2 bzw. 2.500 N/mm2 erst erreicht wurde, wenn die Durchbiegung des Prüfstabes erheblich über den für den Fensterbau zulässigen Durchbiegungen lag. Mehr noch; die ermittelten Werte lagen um so niedriger, je kleiner die Durchbiegung war. Was ergab sich daraus?

Der Biege-E-Modul war bei Belastungen, die zu einer Durchbiegung von ca. 1/300 führten, ca. 1.400 N/mm2. Aus der Untersuchungsreihe ergab sich, daß der Biege E-Modul bei hohen Lasten und großen Durchbiegungen rechnerisch zwar auf über 2.000 N/mm2 kommen kann, dieser Wert aber bei niedrigen Lasten und kleineren Durchbiegungen auf unter 1.000 N/mm2 liegt; also keinen festen Wert darstellt. Da im Fensterbau zumeist mit 1/300 der frei gespannten Länge zu rechnen ist, sollte der durch diese Versuchsreihe ermittelte Wert (wie er für diese Durchbiegung ermittelt wurde) eingesetzt werden. Um die in der Untersuchung ermittelten Differenzen und etwas Sicherheit zu berücksichtigen, sollte nach Meinung des Büros Integratio mit einem Biege-E-Modul von 1.250 N/mm2 gerechnet werden.

Die untenstehende Grafik zeigt den rechnerisch ermittelten E-Modul-Verlauf, wie er im Mittel aus der Versuchsreihe hervorgegangen ist.

Der Kurvenverlauf weist darauf hin, daß beim PVC im Fensterbau anders zu rechnen ist, als beispielsweise beim Stahl. In wieweit das Hookesche Gesetz in bezug auf derartige Thermoplaste oder die E-Modul-Bestimmung nach DIN in diesem Zusammenhang zu diskutieren ist, soll hier nicht weiter erörtert werden. Für den im Kunststoff-Fensterbau tätigen Anwendungstechniker ergibt sich die Frage, mit welchen Methoden und Zahlen zu rechnen ist.

Da die Formeln "Statik" als bestehende Zahlenwerke akzeptiert werden müssen, stellt sich letztlich die Frage, wie die Lastfälle für unverstärkte PVC-Fensterprofile zu rechnen sind. Ergebnis der Untersuchung: 1.250 N/mm2.

Profiloptimierung und Eckenfestigkeit

Ein anderes Problem lag (und liegt) in den Richtlinien der nationalen Gütegemeinschaften. So waren/sind die Wanddicken "gemäß Gütegemeinschaft Kunststoff-Fensterprofile" aus Sicht des Konstrukteurs nicht nachzuvollziehen. In einer Veröffentlichungsreihe zum Thema "Qualitätsmanagementsysteme im Kunststoffensterbau" wurde 1994 zur Profiloptimierung unter Berücksichtigung der Querschnittsgewichte folgendes dargestellt:

Das links untenstehend abgebildete Profil (Bild 4) entspricht in der Auslegung der Wanddicken den derzeit gültigen Bestimmungen der Gütegemeinschaft Kunststoff-Fensterprofile und der Gruppe A (Hinweis: "deutsche Regelung - 3 mm, - 0,2 mm") zuzuordnen.

Das Profil hat eine Querschnittsfläche von ca. 940 mm2. Die Werte sind vergleichbar mit den am Markt befindlichen Profilen.

Bild 4

Profilausbildung gem. Regelwerk der Gütegemeinschaft

Bild 5

Profilausbildung nach Möglichkeit bzw. zertifiziert nach DIN ISO 9001

Die abgebildete Alternative in Bild 5 ist ein konstruktives Beispiel gemäß Gruppe C der vorstehenden Betrachtung. Die Vorteile liegen darin, daß

Werkzeugbauer und Extrudeur werden gewiß Einwände erheben, weil bspw. die kleinen Kammern zu Kühlproblemen führen können, bei diesen Stegausführungen die Profile nicht den "Kugel-Falltest" (Prüfung der Stoßfestigkeit) schaffen usw.

Ohne Einfluß auf Werkzeugkonstruktionen nehmen zu wollen; ein Hinweis zur Steganbindung: Ein befreundeter Werkzeugbauer hat Rahmenprofile dieser Art werkzeugtechnisch umgesetzt und die Anbindung der Stege so ausgeführt, daß sie erst in der Parallelzone der Düse bis zur Außenwand geführt wurden. Beim "Kugel-Falltest" sind keine außergewöhnlichen Probleme erkennbar geworden.

Statik-Probleme mit Kunststoffenstern leicht lösbar

Ein nicht unwesentlicher Grund für den Erfolg des Kunststoffensters liegt in der Möglichkeit, die Probleme der Fensterstatik mit unterschiedlichen Verstärkungen weitestgehend lösen zu können. Kunststoffenster haben veränderbare Werte aus Trägheitsmoment und E-Modul, weil Stahlverstärkungsprofile unterschiedlicher Dimensionierung verwendet werden können. Zur Verdeutlichung ist nachfolgend ein Blendrahmenprofil eines nicht existierenden Systems (Fenonyma aus "www.Fensterberater.de") mit zwei verschiedenen Verstärkungsprofilen dargestellt.

Es ist ebenso bekannt (bspw. Eurodur® 3S) die Verstärkungskammer für verschiedene Profilarten/-tiefen auszulegen oder Profile mit gleicher Außenkontur und unterschiedlicher Kammerausbildung herzustellen. Am Beispiel des Systems Fenonyma würden die Vergleichswerte gemäß obenstehendem Beispiel aussehen können.

Vorstehende Betrachtung verdeutlicht, wie mit einer marktüblichen wirtschaftlichen Konstruktion statische Probleme gelöst werden können, die bei Materialien mit "festen Werten" (Holz, PU, Combidur AV) einen vergleichsweise großen Aufwand erfordern.

Entwicklungen zur Wärmeisolierung

Die Anfang der 80er Jahre mit nennenswerten Stückzahlen in den Markt drängenden Wärmeschutzgläser und Entwicklungen für den skandinavischen Markt haben uns veranlaßt, die k-Werte der Rahmenprofile in die Überlegung mit einzubeziehen. So haben wir eine Entwicklung aus 1984 umgesetzt und die Profilstege eines Kunststoffensters mit Reflexionsschichten versehen. An einem daraus gebauten Fenster wurden 1987 am ift Rosenheim Messungen durchgeführt. Der k-Wert konnte mit dieser Maßnahme auf Anhieb von 1,7 W/m2 K auf 1,4 W/m2 K verbessert werden.

Im Laufe der Zeit wurden von verschiedenen Entwicklern andere Möglichkeiten untersucht und verschiedene Wege zur Verbesserung des k-Wertes gefunden.

Größere Konstruktionstiefen

Es erscheint naheliegend, die Konstruktionstiefe und Kammer-Anzahl anzuheben. Dabei sollte beachtet werden, daß bei einer normalen Konstruktion ohne Mitteldichtung Flügelbreiten unter ca. 40 cm problematisch werden können. Die untenstehende Abbildung zeigt ein Schema-Schnittbild mit einem Abstandmaß von der Flügelkante zur erhöhten Rahmenkante - diese steht für die Schließstücke - von 5 mm. bei einem Kammermaß von 12 mm ergäbe sich ein Luftmaß von 4 mm; die Flügelkante würde mit den Schließstücken kollidieren.

Anschlußausbildung und Randeinflußfaktor

Untersuchungen zur Anschlußausbildung und Lage des Fenster in der Laibung wurden insbesondere vom Kollegen Froelich bzw. dem ift durchgeführt und veröffentlicht. Im Zusammenhang mit der EnEV werden diese Aspekte erneut zu diskutieren sein.

Inwieweit Glaseinstände zur Minimierung des Randeinflußfaktors der Isolierglasscheiben beitragen, hängt vom Verhalten der Isolierglashersteller ab. So haben wir bereits (Pat.-Anm. aus Jan. 1983) vor vielen Jahren Versuche mit Isolierglas-Abstandhaltern aus Kunststoff durchgeführt, die in den der Scheiben-Außenkante zugewandten Teilbereichen mit einer Dampfsperre versehen waren und aufgrund der niedrigen Dampfdiffusionsdichte auf der dem Scheibenzwischenraum zugekehrten Seite ohne Öffnungen ausgeführt werden konnten. Naturgemäß war der Randeinflußfaktor derartiger Abstandhalteprofile vergleichsweise günstig. Ob die Isolierglashersteller nun begreifen, daß der Wärmestrom in einem Aluminiumprofil dreimal so groß ist, wie bei einem Stahlprofil oder gar andere Materialien verwenden, hängt von Einflüssen ab, die für einen Konstrukteur von und Sachverständigen für Fenster nicht mehr verstanden werden können.

Zusammenfassend sei jedem Konstrukteur empfohlen, sich mit der Anwendung der FiniteElemente-Methode bzw. der Benutzung von Programmen zur Berechnung von Wärmeströmen - WinIso der Sommer Informatik sei hier empfohlen - vertraut zu machen.

Auch wenn bisher bei einigen Systemgebern der Umgang mit Themen wie "Nachweis der k-Werte", "Isothermenverläufe und Taupunktbildung" u.dgl. offensichtlich vernachlässigt wird, muß damit gerechnet werden, daß die Bauregelliste zur Änderung des Käuferverhaltens führt. Es kann nicht richtig sein, wenn die meisten Fenster ohne Darstellung der dem Produkt zugesagten Leistung - ohne Ü-Zeichen - in Verkehr gebracht werden.

Perspektiven durch Änderungen des Regelwerks

Besondere Einflüsse gehen vom Niedrigenergie- und vom Passivhaus aus. Ebenso wird es bei Inkrafttreten der EnEV und der verschiedenen EN-Normen möglich sein, die U-Werte (sind nicht mehr einfach als k-Werte zu übernehmen) der Rahmen - aus Rahmengruppe 1 - genau zu bestimmen und diese Werte dann auch bei der Ermittlung der Fensterwerte berücksichtigen zu können. Sofern die Werte dann Anerkennung als amtliche Rechenwerte für Nachweise erfahren, wird ein Wettbewerb der Profilsysteme lohnend und es werden sich Möglichkeiten eröffnen, die k-Werte der Rahmen auf das Niveau der hochwertigen Wärmeschutzverglasungen abzusenken.

Kunststoff-Alternativen zum Werkstoff PVC

Als Folge der ersten hysterischen Reaktionen sogenannter Ökologen in den 80er Jahren und dem folgenden PVC-Verbot in verschiedenen Bundesländern und Großstädten, wurden alternative Werkstoffe untersucht. Systeme aus Polycarbonat, faserverstärkte und oberflächenbehandelte Polyolefine, Verbundmaterialien usw. tauchten immer wieder zumindest in Veröffentlichungen auf. Aus diesem Grund einige Hinweise aus unserer Erfahrung:

Faserstoffgefüllte Profile

Erste Lignodur-Profile - so nannten wir PVC-Profile mit einem hohen Holzmehl-Anteil - haben wir 1983 als Beine für Gartenstühle entwickelt und mit einem befreundeten Unternehmer aus dem Sauerland in den Markt gebracht. Die technischen Anforderungen (Statik) waren berechenbar und ein Vergleich mit den vorhandenen Hohlprofilen mit Stahlverstärkungen und Formteil-Einschieblingen sprach für diesen neuen Weg. Daraus Fenster- oder andere Profile herstellen zu wollen, die unterschiedliche statische Anforderungen erfüllen müssen, haben wir nicht für erfolgreich gehalten.

Die Verwendung von mit Faserstoffen und/oder Holzmehlen modifizierten Kunststoffen kann interessante Möglichkeiten eröffnen; dabei sind jedoch verschiedene Aspekte zu beachten:

Dampfdruck-Diffusionswiderstand beachten

1.

PVC hat einen besonders hohen Dampfdruck-Diffusionswiderstand, deshalb können daraus bspw. Blutbeutel und Verpackungen von einweißhaltigen Lebensmitteln (Wurst, Fleisch) hergestellt werden. Die meisten anderen Kunststoffe haben einen vergleichsweise niedrigen Dampfdruckwiderstandsfaktor; das trifft bspw. auch auf Polycarbonat zu. Wenn nun bspw. ein Fensterrahmen aus Polycarbonat hergestellt wird, ist damit zu rechnen, daß im Winter die in der warmen Raumluft getragene Feuchtigkeit duch die Wandungen des Rahmens hindurchwandert und im Bereich der Profilinnenkammern kondensiert.

Die obenstehende Abbildung zeigt den Schnitt eines Dachflächenfensters. Dieses wird seit über 20 Jahren aus einem PC-ABS-Blend (Noryl der GE-Plastics) hergestellt. In der Verarbeitungsanleitung ist berücksichtigt, daß die Profil-Innenkammern von Luft durchströmt werden, weil der Taupunkt sonst in den mit Tropfen gekennzeichneten Bereichen erreicht würde. Das Tauwasser kann bei fehlenden Belüftungsbohrungen nicht entweichen, weil dieses nicht (wie Wasserdampf) durch die Profilwandungen ausdiffundieren kann.

Mischpolymerisate

2.

Ein Kunststoffenster aus alternativen Thermoplasten wäre also nur vorstellbar, wenn zusätzlich Barriereschichten ein- oder aufgebracht würden; aber wer will schon solche Mischpolymerisate? Wer will diese ökologisch verantworten und wie sollen diese recycliert werden?

Faserstoffgefüllte Kunststoffe

3.

Die Herstellung faserstoffgefüllter Profile aus Polyolefinen bzw. “Nicht-PVC" bietet sich in allen Bereichen an, die nicht als Umfassungsbauteile bzw. zwischen Wohnräumen und Kaltzonen angeordnet werden. So könnten die mit nicht unwesentlichen Mengen am Markt befindlichen Fensterbänke aus holzmehlgefülltem PVC problemlos ebenfalls aus entsprechend modifizierten Polyolefinen hergestellt werden.

Eckenverbindung

4.

Die Spiegelschweißung kann als problemlose Eckverbindungstechnik für Kunststofffenster bezeichnet werden. Die Schweißparameter für Profile aus Noryl (obenstehendes Dachfenster) waren nicht einfach zu erarbeiten und sind nicht problemlos einzuhalten.

Eckverbindungen mit Steck- bzw. Eckwinkeln (wie bei Aluminium-Fenstern oder -Türen) sind bei maßlich geeigneter Ausführung der Profil-Innenbereiche herstellbar; dabei ist jedoch zu beachten, daß

-

die Eckwinkel mit Energie-Richtungsgebern versehen werden, wenn Profile und Eckwinkel (und damit die Rahmenecke) mit Ultraschall-Schweißung verbunden werden sollen. In der Ausführung haben sich Probleme ergeben, weil Eckverbindungen mit Ultraschall-Schweißung nur mit Profilqualitäten möglich waren, die wirtschaftlich nicht herstellbar (sind?) waren,

-

bei eingeklebten Eckwinkeln keine Lösungsmittelkleber verwendet werden können, wenn Profile aus PVC verbunden werden sollen. Der hohe Dampfdruck-Diffusionswiderstand des PVC´s verhindert das Ausdiffundieren des Lösungsmittels. Damit hergestellte Rahmen wiesen - je nach Wanddicke - nach einigen Tagen oder Wochen Ausbeulungen, Stegmarkierungen und Änderungen in der Druckfestigkeit auf. Konvektionsöffnungen in Profilbereichen, die bei bestimmungsgemäßer Verwendung nicht dem Sichtbereich zugewandt sind, konnten das Problem beseitigen.

-

Es ist ebenso zu beachten, daß bei Verwendung von “Schmelzklebern" problemlos Maßabweichungen ausgeglichen werden können; der Energieeintrag jedoch möglichst gering bleiben sollte, um ungewollte Verformungen zu vermeiden.

-

Usw.

Kunststoffenster für zukünftige Märkte

Die maschinelle Ausstattung für Schweißverbindungen und die vergleichsweise hohen Anforderungen an die Fertigungsqualität werden nicht für alle Märkte geeignet sein. So kann bspw. für ein Land mit geringer Bevölkerungsdichte, einem nennenswerten Bevölkerungsanteil Nomaden und einer Infrastruktur, die eine Versorgung mit im westlichen Wirtschaftsraum üblichen Materialien in kurzer Zeit nicht wahrscheinlich erscheinen läßt, Bauelemente "westeuropäischer oder deutscher Prägung" keine optimale Lösung darstellen. Es ergeben sich andere Prioritäten; Fenster sollten mit in diesen Märkten bestehendem Know How und vorhandenen Werkzeugen hergestellt werden können.

Eine Möglichkeit kann darin liegen, Eckverbinder und Profile für Kunststoffenster zu Fensterrahmen zusammenzustecken. Eine Möglichkeit wird in einer Schutzrechtsbeschreibung verkürzt dargestellt, wie folgt beschrieben:

Es handelt sich um Eckverbinder und Profile für Kunststoffenster, die miteinander korrespondierend geeignet sind, Fensterrahmen zusammenzustecken. Die formschlüssig in die Enden der offen ausgebildeten Fensterprofile greifenden Eckverbinder sind mit keilartigen Ausformungen versehen, die in damit korrespondierende zu diesem Zweck eingebrachte Ausnehmungen an den Fensterprofilen rasten und dadurch eine mechanische Verbindung herbeiführen. Die Eckverbinder sind an den der Ecke abgewandten Seiten wegen der in diesem Bereich geöffneten Fensterprofile zugänglich; die Eckverbinder können durch geeignete Lösungsmittelkleber oder dergleichen zusätzlich mit dem Fensterprofil verklebt werden.

Resümee

Die vorstehenden kritischen Hinweise sollen Entwickler davor schützen, Fehler zu wiederholen und die Darstellungen sollen als Anregung verstanden werden. Älter gewordene Konstrukteure und Entwickler sollten ihre Erfahrungen dokumentieren und zugänglich machen; ebenso Institutionen und Rohstoffhersteller ihre Archive.

Warum soll jede Generation das Rad neu erfinden, wenn vorhandene Unterlagen noch nicht unrettbar verloren sind?


Nachtrag: Alle Fachleute werden im Sinne vorstehender Anregung gebeten, Ihre alten Unterlagen an uns zu senden, damit wir diese ggf. veröffentlichen bzw. der Allgemeinheit zur Verfügung stellen können.


Beachten Sie bitte, daß wir keine Haftung für die Richtigkeit übernehmen können.

Zurück zur Seite: