Der Wickelrahmen ist an dem KUKA KP1-HC Positionierer befestigt.

Roboter in der Architektur: KUKA Roboter fertigt Bauteile für Bundesgartenschau-Pavillon

Roboter in der Architektur sind eine Innovation: Das gilt auch für einen KUKA Roboter, der Bauteile für einen Pavillon der Bundesgartenschau 2019 fertigt. Das robotische Herstellungsverfahren hat ein Institut der Uni Stuttgart entwickelt. Es zeigt die Vorteile der Bauroboter.

Robotische Herstellungsverfahren in der Architektur

Das Institute for Computational Design and Construction der Universität Stuttgart (ICD) widmet sich der Entwicklung computergestützter Entwurfs- und Bauprozesse. Ein Schwerpunkt liegt auf den Einsatzmöglichkeiten von Robotern. Für die Bundesgartenschau 2019 in Heilbronn hat das Projektteam – bestehend aus Prof. Achim Menges sowie den wissenschaftlichen Mitarbeitern Christoph Zechmeister, Serban Bodea und Niccolo Dambrosio – einen Pavillon entworfen, dessen Konstrukt aus gewickelten Faserbauteilen besteht. Das robotische Herstellungsverfahren der Leichtbauteile wurde mithilfe von zwei KUKA Produkten realisiert: Der KUKA Roboter vom Typ KR 210 R3100 QUANTEC legt die Faserstränge um zwei Wickelrahmen, die an den Positionierern des KP1-HC befestigt sind. Der Anlagenbauer BEC GmbH hat die Roboter beim ICD integriert.

Bauroboter fertigt Pavillon aus Kohlefaser
Gut gewickelt: Aus der Nähe ist die komplexe Struktur des Pavillon deutlich zu erkennen.

Neue Lösungen für innovative Architektur mithilfe von Robotern

Der Pavillon besteht aus 60 Bauteilen, die bis zu 6 Meter groß sind. Die Besonderheit im robotischen Herstellungsverfahren: Die Elemente besitzen trotz ihrer Größe keinen Kern zur Ablage der Fasern. „Die Tragkonstruktion besteht ausschließlich aus Faserverbundbauteilen. Diese werden aus ununterbrochenen Glas- und Kohlefasern von Baurobotern gewickelt“, erläutert Christoph Zechmeister. Hergestellt werden die Bauteile von der FibR GmbH. „Die Konstruktion hat eine Komplexität, die sich nur durch das robotische Herstellungsverfahren umsetzen lässt“, so Moritz Dörstelmann, geschäftsführender Gesellschafter. Die FibR GmbH ist darauf spezialisiert, leistungsfähige, expressive Faserverbundstrukturen mittels digitaler Entwurfs- und Fertigungstechnologie zu realisieren.

Ein KUKA KR QUANTEC legt Kohlefasern auf einem Wickelrahmen ab.
Präzision und Wiederholgenauigkeit – der Bauroboter passt jedes Element individuell an.

Robotisches Herstellungsverfahren für innovative Bauteil-Produktion

Für die Bauteil-Produktion bietet die FibR GmbH ein robotisches Herstellungsverfahren: An zwei KUKA Positionierern vom TYP KP1-HC sind zwei Wickelrahmen befestigt. Mithilfe eines Stahlrohres sind die beiden Positionierer kinematisch gekoppelt. Die dadurch entstandene horizontale Achse ist endlos drehbar und ermöglicht die simultane Bewegung der Wickelrahmen. Die Bewegungsfreiheit ist für das robotische Herstellungsverfahren notwendig. So wird die optimale Zugänglichkeit für den Endeffektor des KR QUANTEC  Roboters erreicht. Am Arm des Bauroboters sind die Faserspulen befestigt. Die Faserstränge werden zunächst imprägniert, bevor sie eine Spannungsregelung durchlaufen und zum Endeffektor geführt werden. Der Effektor legt die Stränge schließlich um die Anschlagpunkte der Wickelrahmen.

Der fertiggestellte Kohlefaserpavillon auf der BUGA.
In voller Größe: Der fertige Pavillon auf der Bundesgartenschau in Heilbronn.

Vorteile von Robotern im Bauwesen

Aufgrund der Präzision und Wiederholgenauigkeit der Bauroboter lassen sich die Bauteile individuell anpassen. „Die Fertigungspfade für die 60 Elemente werden direkt aus dem digitalen Modell generiert“, so Christoph Zechmeister. Zur Konfiguration der Applikation wurde die Engeneering Suite KUKA.WorkVisual eingesetzt. Im robotischen Herstellungsverfahren lassen sich weitgespannte Faserverbundkonstruktionen kosten- und materialeffizient produzieren. Das Potenzial der Bauroboter liegt in der Flexibilität und Skalierbarkeit des Produktionssetups sowie in der hohen Qualität der Bauteile. „Durch robotische Herstellungsverfahren können wir nicht nur den Ressourcenverbrauch im Bauwesen reduzieren. Es lassen sich auch spannende neue Architekturprojekte realisieren“, so Moritz Dörstelmann.

Eines der bis zu 6 Meter großen Bauteile des Pavillons.
Roboter in der Architektur machen ganz neue Bauteil-Formen möglich.

Durch das robotische Herstellungsverfahren können diskrete Bewegungsabläufe bei der Bauteilfertigung einfach implementiert und die Komplexität des Prozesses reduziert werden.

Christoph Zechmeister, wissenschaftlicher Mitarbeiter am ICD

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