Einbruchhemmende Türen wärmedämmend zu bauen, ist für Hersteller eine Herausforderung. Ihre komplexe Konstruktion bietet Schlupflöcher für Luftströme. Mit wissenschaftlichen Simulationsmethoden planten Fraunhofer-Forscher eine wärmedämmende Konstruktion am Computer – ohne teuren Prototypenbau.
Fenster- und Türenhersteller haben üblicherweise keine eigene Forschungsabteilung. Doch das Know-how von Wissenschaftlern kann auch dort schnellen Mehrwert schaffen. Das zeigt das Beispiel von Biffar, ein Hersteller von einbruchhemmenden Aluminium-Haustüren aus Rheinland-Pfalz: Simulationsmethoden und Softwaretools des Fraunhofer-Instituts für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM in Kaiserslautern haben dabei geholfen, dessen einbruchhemmende Türen so zu konstruieren, dass sie nun über die KfW förderwürdig sind. Die neue Rahmenkonstruktion gibt der gesamten Tür einen U-Wert von 0,49 W/(m²K). Ihre einbruchhemmenden Eigenschaften blieben dabei erhalten.
Dr. Matthias Kabel aus der Abteilung Strömungs- und Materialsimulation des ITWM: „Der Rahmen-U-Wert liegt jetzt unter 1,3 W/(m²K). Alle Türen sind damit förderwürdig. Wir haben durch das Projekt nachgewiesen, dass wir mit unseren komplexen Simulationsmethoden und Softwaretools auch Alltagsgegenstände optimieren können – mit direktem Mehrwert für den Auftraggeber.“
Biffar stellt einbruchhemmende Türen und Türrahmen aus Aluminium her. Die ITWM-Forscher verglichen und prüften die Konstruktionsvorschläge, indem sie alle wesentlichen funktionalen Eigenschaften mittels präziser numerischer Berechnungsverfahren vorhersagten. „Mithilfe der Computersimulationen konnten wir eine große Anzahl möglicher Varianten betrachten und die einzelnen Materialien im Bereich des Türblatts und des Rahmenprofils millimetergenau auslegen“, so Dr. Kabel. Der Hersteller musste für die einzelnen Varianten keine eigenen Prototypen bauen. Dadurch sparte er Zeit und Kosten.
„Wir konnten mit unseren Tools schnell Informationen zur Türkonstruktion und zum Wärmeübergang mit den Vorgaben der DIN-Norm für Wärmedämmung bei Fenstern, Türen und Abschlüssen abgleichen. Daraus ließen sich dann Vorschläge für optimale Konstruktionspläne der verschiedenen Türmodelle des Unternehmens erstellen“, sagt Dr. Kabel.
Im ersten Schritt zeigten die Wissenschaftler, dass sie die realen Messwerte des Wärmeübergangs am Computer exakt simulieren können. „Das hat Vertrauen beim Kunden geschaffen. Und ohne die Simulation hatte der Hersteller nur den Mittelwert des Wärmeverlusts des Rahmens vorliegen. Mithilfe der computergestützten Darstellung ließ sich nun aber genau ermitteln, welcher Teil des Rahmens für welchen Teil des Wärmeverlusts verantwortlich war. Wir machten konkrete Vorschläge, wie sich das Design des Rahmens wärmetechnisch optimieren ließ.“
Die Forscher passten ihre Simulationssoftware an die Anforderungen der Türproblematik an: Dazu gehörte beispielsweise, die richtigen Materialparameter auszuwählen, die physikalischen Effekte des Wärmetransports in Türen digital realitätsgetreu darzustellen sowie die entsprechende DIN-Norm in der Simulationssoftware zu berücksichtigen.