Ein Roboter-Labor für das cyber-physikalische Bauen

Der Exzellenzcluster „Integratives computerbasiertes Planen und Bauen für die Architektur“ (IntCDC) der Universität Stuttgart hat vier Roboterplattformen für die automatisierte Herstellung von Holz- und Faserbauelementen erhalten. Die Anlagen sollen das Bauen der Zukunft nachhaltiger und effizienter machen und bilden das neue Large-Scale Construction Robotics Laboratory (LCRL).

„Architektur unterscheidet sich grundsätzlich von anderen Produktionsbereichen, weil hier letztendlich immer Einzelstücke mit projektspezifischen Anforderungen entstehen“, erklärt Prof. Achim Menges, der Direktor des IntCDC. Einer Automatisierung, die schon aus Produktivitätsgründen und wegen des erheblichen Fachkräftemangels auch am Bau dringend erforderlich wäre, stehe dies zunächst einmal entgegen.

Einen Ausweg aus diesem Dilemma suchte die Branche bisher in standardisierten Bauteilen, wie sie in ihrer Extremform aus dem Plattenbau bekannt sind: „Der Modulbau führt aber häufig zu Monotonie und mangelnder Passgenauigkeit“, sagt Menges. Zudem erzeuge der Transport von Bauteilen auf der Straße Abgas- und Lärmemissionen und begrenze die mögliche Größe der Bauteile.

Kernstück des Großraum-Robotiklabors in einem Vorort von Waiblingen sind vier containerbasierte Roboter-Plattformen, von denen zunächst zwei für die Fertigung von Holz- und zwei für Faserbauteile ausgelegt sind. Zukünftig sollen sie auch gemeinsam als rekonfigurierbare, digitale und mobile Fertigungseinheit genutzt werden können. Die Grundidee dahinter: Statt die Bauteile zu modularisieren, wird deren Fertigungstechnik flexibel und transportabel gemacht.

Gleich im Eingangsbereich der Fabrikhalle, in der das Large-Scale Construction Robotics Laboratory entsteht, gleitet ein Industrieroboterarm entlang einer über 10 Meter langen Linearachse und fräst aus einem Holz-Rohling ein Kassettenelement für einen Holzpavillon. Wenige Meter weiter ist auf einer parallelen Achse ein Zwillingsroboter montiert, beide Systeme können ein Bauteil gemeinsam bearbeiten. Die hohe Steifigkeit ermöglicht sowohl additive als auch subtraktive Fabrikationsschritte mit dem großen Arsenal an Werkzeugen, über das sie verfügen: Fräs- und Sägespindel, verschiedene Greifer, Nagelpistolen, Schraubautomaten, Klebstoff-Applikatoren wie auch zahlreiche Kamera- und Sensorsysteme.

Ähnliche Dimensionen gelten für die Faserplattform ein paar Meter weiter, auf der in Harz getränkte Carbonfasern zu transparenten Leichtbauelementen gewickelt werden. Auch diese Anlage besteht aus zwei Roboterarmen, die an der Achse eines 4 mal 10,5 m großen Bauraums entlangfahren und miteinander kooperieren können. Dies ermöglicht es, weitaus größere und komplexere Strukturen anzufertigen als bisher. „10-Meter-Träger sind locker machbar, ebenso weitgespannte Strukturen“, sagt IntCDC-Doktorand Christoph Zechmeister. Gemeinsam mit Forschenden der Institute für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) und für Flugzeugbau (IFB) im Cluster untersucht er die Fertigung neuartiger, extrem leichter, leistungsfähiger und materialeffzienter Faserverbundgroßbauteile.

Beide Anlagen lassen sich schnell umprogrammieren, die Werkzeuge wechseln. Zudem können sie in einem normalen Überseecontainer und mit Standardtransporten zu Fertigungsbetrieben oder direkt auf die Baustelle gebracht werden. Vor Ort sind nur ein Strom- und ein Druckluftanschluss erforderlich. Die robotische Vorfertigung nahe oder auf der Baustelle wird damit möglich, eine wichtige Voraussetzung für mehr Effizienz im Bauwesen.

Eine Herausforderung besteht darin, dass die in der Architektur gebräuchlichen Entwurfswerkzeuge und Industrieroboter nicht dieselbe Sprache sprechen. Um die Roboter programmieren zu können, müssen die Beschreibungen der Architektinnen und Architekten daher in Datenmodelle übersetzt werden. „Wenn der Entwurf zum Beispiel an einer Stelle eine Vertiefung vorsieht, dann müssen wir eine Bahn programmieren und genau parametrieren, wieviel Material der Roboter abtragen soll, in welcher Form und wie oft“, so Prof. Alexander Verl, der Leiter des Instituts für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) der Universität Stuttgart.

Die Crux dabei: Die „neue Architektur“ mit ihren ausdifferenzierten und komplexen Baukörpern kennt keine Gleichteile, da jedes Element genau an seine spezifischen Anforderungen angepasst ist, um möglichst leicht und ressourcensparend zu sein. Jedes Kastenbauteil einer Holzkonstruktion, jedes Faserelement einer Tragstruktur hat eine andere Geometrie. „Unsere Maxime ist es, dass die Hardware gleichbleibt und die Anpassung an die unterschiedlichen Bauformen durch Umprogrammierung eines digitalen Zwillings erfolgt - und das in einem hochkomplexen Steuerungs- und Regelungsumfeld“, sagt Verl.

Die Fabrikhalle in einem Vorort von Waiblingen wird nicht der endgültige Standort der Roboterplattformen sein: Bis 2025 soll das LCRL in das neue Clustergebäude auf dem Campus Vaihingen der Universität Stuttgart umziehen.

Das Labor wird dort als zentrale Plattform fungieren, die die drei Hauptziele des IntCDC vereint: die Erforschung integrativer und digitaler Planungs- und Ingenieursmethoden, die Entwicklung neuartiger Verfahren für die cyber-physische Vorfertigung und das robotergestützte Bauen vor Ort und die damit verbundene Entstehung intelligenter und nachhaltiger Bausysteme.

Die neuen Roboter sollen dabei zunächst beim Bau des Demonstratorgebäudes eingesetzt werden und dann als Forschungsinfrastruktur darin ihren Platz finden. IntCDC-Direktor  Menges: „Das IntCDC-Gebäude wird der gebaute Beweis sein, dass Co-Design, also die digitale Vernetzung von Planungsmethoden, Bauprozessen und Bausystemen, funktioniert und attraktivere wie auch nachhaltigere Gebäude ermöglicht.“