Robotik im Holzbau

Robotik im Holzbau beim Institut für Computerbasiertes Entwerfen

Im Holzbau verschieben sich zunehmend die Leistungsanforderungen von der handwerklichen Bearbeitung und der seriellen Vorfertigung hin zu einer weiter zunehmenden Digitalisierung der Fertigungsverfahren. Als Teil dieser Entwicklung ermöglicht der Einsatz von Industrierobotern im Holzbau eine Erweiterung des Anwendungsspektrums digitaler Fabrikation, die sich durch etablierte, prozessspezifische und computernumerisch gesteuerte (CNC) Werkzeugmaschinen nicht oder nur aufwendig realisieren lässt. Zudem bieten neuere Entwicklungen in der Automatisierung der Roboteransteuerung die Möglichkeit, die wesentliche Herausforderung für den wirtschaftlichen Einsatz von Industrierobotern in der Vorfertigung im Holzbau zu bewerkstelligen, nämlich deren relativ anspruchsvolle Programmierung. Dadurch besteht die Chance, die vergleichsweise kostengünstige, und technisch ausgereifte Robotertechnologie als technologischen und wirtschaftlichen Vorteil für die hochqualifizierten klein- und mittelständigen Holzbauunternehmen in Baden-Württemberg zu nutzen. Robotische Fertigung im Holzbau bietet die Möglichkeit, durch deren wesentlich höheren Freiheitsgrad innovative, intelligente und anpassungsfähige Konstruktionsprinzipien unter Berücksichtigung des Materialverhaltens und der materialgerechten Verarbeitung zu entwickeln.

Die Erforschung dieser Potentiale erfordert auch ein Umdenken in der Architektur, sowie einen neuen Ansatz im architektonischen Entwurf. Am Institut für Computerbasiertes Entwerfen (ICD) der Universität Stuttgart wird deshalb ein integrativer Entwurfsprozess verfolgt. Herstellungstechnologie und Materialverhalten sind ein wichtiger Bestandteil bei der Entwicklung neuer Konstruktionsprinzipien in der Architektur. Diese werden anhand der Möglichkeiten robotischer Fertigung praxisnah in der universitätseigenen sieben-achsigen robotischen Fertigungsanlage entwickelt und anschließend zu einem architektonischen System ausgearbeitet.

So konnte im Sommer 2011 das Institut für Computerbasiertes Entwerfen und das Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen (ITKE) der Universität Stuttgart einen temporären bionischen Versuchsbau aus Holz realisieren, der an der Schnittstelle von Lehre und Forschung zusammen mit Studierenden entworfen, geplant und ausgeführt wurde. Grundlage dieses Projekts war die Analyse der klassischen Fingerzinkenverbindung, die im Verlauf der vorindustriellen Holzbaugeschichte aufgrund des langen Entwicklungszeitraums zu einer leistungsstarken Holzverbindung ausgebildet wurde, aber aufgrund ihrer geometrischen Komplexität bisher nur beschränkt maschinell herzustellen war. Der erweiterte Bewegungsspielraum einer robotischen Fertigungsanlage jedoch ermöglicht die Herstellung einer dreidimensionalen, form- und kraftschlüssigen Fingerzinkenverbindung, die ohne zusätzliche Verbindungsmittel auskommt. Klassische Stahlverbinder, wie sie im Holzbau heutzutage üblich sind, stellen keine Notwendigkeit mehr da, wenn die nötige geometrische Komplexität in der Bearbeitung der eigentlichen Bauteile bereits herstellbar ist. Die Entwicklung dieser stabilen Monomaterialverbindung lässt das Fügen von Plattenwerkstoffen unterschiedlicher Materialstärken in verschiedenen Winkeln zu und dient somit als Ausgangspunkt für viele verschiedene konstruktive Prinzipien.

Voraussetzung für den Entwurf, die Planung und Realisierung der komplexen Morphologie des Pavillons ist eine geschlossene digitale Kette vom Entwurfsmodell über Finite-Elemente-Simulationen bis hin zur Maschinenansteuerung. Formfindung und Tragwerksplanung sind dabei eng verzahnt. Durch einen optimierten Datenaustausch ist es möglich, die komplexe Geometrie wiederholt in ein Finite-Elemente-Programm einzulesen, mechanisch zu analysieren und zu modifizieren. Die Fertigung der Platten und Zinkenverbindungen erfolgte schließlich auf der universitätseigenen robotischen Fertigungsanlage. Auf der Grundlage des computergenerierten Geometriemodells konnte auch die Erzeugung des Maschinensteuerungscodes (NC-Code) für die Maschinenansteuerung automatisiert werden, was die ökonomische Fertigung der mehr als 850 geometrisch unterschiedlichen Bauteile, sowie der mehr als 100.000 frei im Raum angeordneten Zinken erst ermöglichte. Die Realisierung dieses Forschungspavillons zeigt die konstruktiven und architektonischen Potentiale der robotischen Fertigung im Holzbau.

Diese Potentiale sollen nun gemäß der ebenfalls stetig steigenden Anforderungen an die Leistungsfähigkeit und Ressourceneffizienz von Holzkonstruktionen im Rahmen der anwendungsnahen Entwicklung eines neuartigen, robotisch gefertigten Holzleichtbausystems erforscht und durch die Realisierung eines Demonstratorbaus überprüft und evaluiert werden.

Ziel des Forschungs- und Entwicklungsprojekts ist die Untersuchung des Potentials und der Anwendbarkeit robotischer Fertigungsverfahren im Holzbau im Hinblick auf die Stärkung der Wettbewerbsfähigkeit und Innovation kleiner und mittlerer Unternehmen. Besondere Bedeutung kommt bei diesem Projekt den angestrebten Synergien aus Planungs, Verfahrens- und Softwaretechnologie-Kompetenz auf Seiten der Universität Stuttgart, der Hardwaretechnologie-Kompetenz auf Seiten des Roboterherstellers im Zusammenspiel mit der Anwendungskompetenz bzw. Praxiserfahrung auf Seiten des beteiligten Ingenieur-Holzbauunternehmens zu.

Desweiteren soll gezeigt werden, dass die robotische Herstellung im Holzbau in Wechselwirkung mit computerbasierte Entwurfsmethoden Architekten und Ingenieure befähigen, von Beginn an herstellungs- und materialgerecht zu arbeiten, um sowohl innovative und leistungsstarke Konstruktionen, als auch anspruchsvolle Gebäudestrukturen zu entwickeln.

Das Projekt wird unterstützt mit Mitteln des baden-württembergischen Clusters Forst und Holz und des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE).

Ansprechpartner

Prof. Achim Menges
ICD Universität Stuttgart
www.achimmenges.net

 

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