Robotik
Des Holzbauers Gehilfe
Die Holzbaubranche setzt bisher nur bedingt auf automatisierte Fertigungsprozesse. Was die Robotik hierzu leisten könnte, zeigt ein gemeinsames Projekt der Universität Stuttgart mit dem Anlagenbauer BEC auf der diesjährigen Bundesgartenschau (Buga).
Die Bundesgartenschau ist längst mehr als eine traditionelle Gartenausstellung: Sie präsentiert auch moderne Entwicklungen im Bereich Stadtplanung und Architektur. Auf der diesjährigen Buga in Heilbronn war neben Bäumen und Blumen ein innovativer Pavillon aus Holz zu sehen. Die von der Natur inspirierte Konstruktion hat das Institute for Computational Design and Construction der Universität Stuttgart (ICD) entworfen. Seit seiner Gründung im Jahr 2008 widmet sich das ICD der Entwicklung innovativer, computergestützter Entwurfs- und Bauprozesse. Dabei liegt ein Schwerpunkt auf den Einsatzmöglichkeiten von Robotern. Diese kamen auch bei der Fertigung der innovativen Holzelemente für den Buga-Pavillon zum Einsatz: „Die Produktion der Bauteile ist komplex, aufwendig und individuell, sodass sie sich nur mithilfe von Robotern realisieren lässt“, so Hans Jakob Wagner, wissenschaftlicher Mitarbeiter und Doktorand am ICD.
Bei der Planung der benötigten Anlage wurde das ICD von BEC unterstützt. Der Anlagenbauer mit Sitz im baden-württembergischen Pfullingen plant und integriert komplexe Robotersysteme. Für die automatisierte Fertigung des besagten Holzpavillons setzte er neben dem Zwei-Achs-Positionierer DKP-400 zwei Kuka-Roboter vom Typ KR 500 Fortec ein. Ihre Aufgabe war es, die Bauteile zusammenzusetzen, zu verkleben und zu fräsen.
Von der Natur inspiriert
„Ein Schwerpunkt unserer Arbeit liegt im Bereich der biomimetischen Forschung“, erklärt Professor Achim Menges, Leiter des ICD, und wird konkret: „Formen, Materialien und Strukturen in der Natur weisen oft eine höhere Materialeffizienz und Funktionsfähigkeit auf als die üblichen Bauweisen. Auch die innovative Schalenkonstruktion des Holzpavillons ist einem Naturphänomen nachempfunden: der Hülle des Seeigels. Diese besteht aus mehreren Platten, die unabhängig voneinander und je nach Position in der Hülle wachsen.“
Wie beim Seeigel sind auch die 376 Elemente des Pavillons absolute Einzelstücke. Sie wurden aus Holzplatten und -balken aus Furnierschichtholz zusammengesetzt. Im Inneren sind die Kassetten hohl, ihre Form variiert: Es gibt fünf-, sechs- und siebeneckige Elemente, die 16 cm dick sind. Nach dem Zusammensetzen aller Bauteile umspannt der Pavillon 30 Meter – ohne Träger und Stützen im Inneren. Diese Leichtbauweise ist weltweit bisher einzigartig. „Jede Kassette ist für ihre jeweilige Situation maßgeschneidert – und zwar voll automatisiert“, erläutert Wagner. Ohne die automatisierte Lösung, die in Zusammenarbeit mit der BEC entstand, wäre das Projekt aufgrund des immensen Arbeitsaufwands nicht denkbar gewesen.
Mithilfe des Zwei-Achs-Positionierers werden die einzelnen Kassettenelemente zusammengesetzt. Anschließend ...
© KukaVom geplanten Pavillon lag zu Beginn des Projektes kein Bauplan auf Papier vor; die gesamte Konstruktion wurde digital entworfen. „Die Informationen zu den einzelnen Bauteilen wurden direkt in der Software-Umgebung generiert und an den Roboter übertragen“, erklärt BEC-Geschäftsführer Matthias Buck. In der Anlage arbeiten die Roboter wie folgt perfekt zusammen: Zunächst greift Roboter 1 nach einer Furnierholzplatte und positioniert sie auf dem Zwei-Achs-Positionierer. Auf dem Dreh-Kipp-Positionierer wird die Platte mittels Vakuumspanntechnik befestigt. Während nun Roboter 2 den Klebstoff auf der Grundplatte aufbringt, greift Roboter 1 nach einem Tragwerksbalken. Sobald der Balken auf dem Klebstoff liegt, nagelt Roboter 2 ihn mit Holznägeln ab.
Diese Arbeitsschritte wiederholen sich, bis alle Balken einer Kassette verklebt und vernagelt sind. Dann nimmt Roboter 1 die Deckplatte aus dem Magazin und legt sie auf den von Roboter 2 in der Zwischenzeit auf den Balken aufgetragenen Klebstoff. Auch die Deckplatte wird von Roboter 2 zusätzlich mit Nägeln befestigt. Die teilfertige Kassette legt Roboter 1 anschließend auf das Pressmagazin. Ist der Klebstoff ausgehärtet, werden die Kassetten vom Roboter erneut aufgenommen und auf dem DKP-400 positioniert. Roboter 2 übernimmt das Fräsen der Eckkonturen und Zinkenverbindungen sowie das Bohren der Bolzenlöcher. Wenn alle Fräsarbeiten erledigt sind, legt der Roboter die fertige Kassette in das Fertigteilmagazin.
Vorteile der Roboterfertigung im Holzbau
„Das Kleben und Fräsen der Kassetten ist in roboterbasierter Fertigung wesentlich einfacher“, nennt Hans Jakob Wagner einen der Vorteile von Robotern im Holzbau. Da der Klebstoff nur für einen begrenzten Zeitraum flüssig ist und beim Auftrag spezielle Bedingungen, wie Auftragsmenge und -gleichmäßigkeit, einzuhalten sind, spielen Geschwindigkeit und Verlässlichkeit eine große Rolle. Auch angesichts des Gewichts der einzelnen Elemente – eine Kassette wiegt bis zu 200 kg – stellen Roboter eine deutliche Arbeitserleichterung dar.
Einen weiteren Vorteil bietet die Präzision der Bauroboter: Beim Fräsen der Elemente liegt die Maßtoleranz bei weniger als 0,3 mm. Die Roboter arbeiten präzise, effizient und kostengünstig, wodurch die Teilevarianz des Pavillons möglich war. Außerdem sind die Roboter ausgesprochen anpassungsfähig: „Wir hatten die Möglichkeit, noch während des Fertigungsprozesses den Bauplan einzelner Elemente zu verändern“, hebt Matthias Buck hervor.
Für die weitere Verwendung der Anlage sieht Matthias Buck großes Potenzial: „Das System kann aufgrund seines idealen Transportmaßes auch direkt beim Holzbauer oder auf der Baustelle zum Einsatz kommen.“ Daraus ergeben sich innovative Möglichkeiten für die Bauindustrie und den Holzbau – eine Branche, die bislang kaum automatisiert ist.
Autor:
Sebastian Schuster ist PR & Content Manager bei Kuka Robotics.
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