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 sind ein Meilenstein für die
Erforschung der mobilen, flexiblen Vorfertigungstechnik und sollen das
Bauen der Zukunft nachhaltiger und effizienter machen.
Die Fabrikhalle in Neustadt-Hohenacker, einem Vorort von Waiblingen, wirkt
schmucklos, doch sie birgt Superlative: In ihrem Inneren entsteht die
weltweit erste Gesamtplattform für cyber-physikalisches Bauen, das Large-
Scale Construction Robotics Laboratory (LCRL), ein Großraum-Robotiklabor
und Flaggschiff des Exzellenzclusters „Integratives computerbasiertes
Planen und Bauen für die Architektur“ (IntCDC) der Universität Stuttgart.
Kernstück des Labs für die mobile, flexible Vorfertigungstechnik 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
Baufertigungseinheit genutzt werden können.
Gleich im Eingangsbereich der Fabrikhalle gleitet ein tonnenschwerer
Roboterarm entlang einer über 10 Meter langen Linearachse, senkt langsam,
aber mit der Präzision eines Raubvogels den Kopf zu einem Holzteil herab
und fräst daraus ein Kassettenelement für einen Holzpavillon. „Der kann
auch schneller, bis zu zwei Meter pro Sekunde“, sagt Hans Jakob Wagner,
Doktorand am IntCDC. Und er kann auch kooperativ: Wenige Meter weiter ist
auf einer parallelen Achse ein Zwillingsroboter montiert, beide Giganten
können ein Bauteil gemeinsam bearbeiten. Die hohe Steifigkeit ermöglicht
sowohl additive als auch subtraktive Fabrikationsschritte mit höchster
Präzision und das Arsenal an Werkzeugen, über das sie verfügen, ist
beachtlich: Fräs- und Sägespindel, verschiedene Greifer, Nagelpistolen,
Schraubautomaten, Klebstoffapplikatoren wie auch zahlreiche Kamera- und
Sensorsysteme… „Dadurch können wir eine Vielzahl unterschiedlicher
Arbeitsschritte durchführen“, sagt Postdoc Dr. Felix Amtsberg, der die
Holzplattform koordiniert.
Mega-Wickler für Faserverbundteile
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, der gemeinsam mit Forschenden der Institute für
Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW)
und für Flugzeugbau (IFB) im Cluster die Fertigung neuartiger, extrem
leichter, leistungsfähiger und materialeffzienter Faserverbundgroßbauteile
untersucht.
Rekonfigurierbar und transportabel
Beide Anlagen lassen sich schnell umprogrammieren, die Werkzeuge im
Handumdrehen wechseln. Zudem können sie in einem normalen Überseecontainer
und mit Standardtransporten zu Fertigungsbetrieben oder direkt auf die
Baustelle gebracht werden, vor Ort sind eben mal ein Strom- und ein
Druckluftanschluss erforderlich. Die robotische Vorfertigung nahe oder auf
der Baustelle ist ein Novum – und eine wichtige Voraussetzung für mehr
Effizienz im Bauwesen. „Architektur unterscheidet sich grundsätzlich von
anderen Produktionsbereichen, weil hier letztendlich immer Einzelstücke
mit projektspezifischen Anforderungen entstehen. Einer Automatisierung,
die schon aus Produktivitätsgründen und wegen dem erheblichen
Fachkräftemangel auch am Bau dringend erforderlich wäre, steht dies
zunächst einmal entgegen“, erklärt Prof. Achim Menges, der Direktor des
IntCDC.
Einen Ausweg aus diesem Dilemma sucht die Branche bisher in
standardisierten Bauteilen, wie sie in ihrer Extremform aus dem Plattenbau
bekannt sind. „Der Modulbau führt häufig zu Monotonie und mangelnder
Passgenauigkeit gerade im urbanen Kontext und wird dem grundsätzlichen
Anspruch, dass jedes Gebäude seinem soziokulturellen Umfeld und
geographischen Standort angepasst sein sollte, nicht gerecht“, sagt
Menges. Zudem produziere der Transport von Bauteilen auf der Straße Abgas-
und Lärmemissionen und begrenze die mögliche Größe der Bauteile. „Daher
modularisieren wir nicht das Bausystem, sondern die Vorfertigungsfabrik,
indem wir diese rekonfiguierbar und transportabel machen.“
Programmierung erfordert Übersetzung
Eine Herausforderung besteht allerdings darin, dass die in der Architektur
gebräuchlichen Entwurfswerkzeuge und Industrieroboter nicht dieselbe
Sprache sprechen. Um die Roboter programmieren zu können, müssen die
Beschreibungen der Architekt*innen daher in Datenmodelle übersetzt werden.
Hierfür ist Interdisziplinarität gefragt, betont erklärt Prof. Alexander
Verl, der Leiter des Instituts für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen
und Fertigungseinrichtungen (ISW) der Universität Stuttgart, das diesen
Part in das Cluster einbringt. „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.“
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. Dabei sei nicht nur künstliche, sondern vor
allem auch menschliche Intelligenz gefragt. „Wir müssen deterministisch
überlegen, was genau gebraucht wird und in welcher Stellung des Roboters
ein Arbeitsschritt sinnvoll ausgeführt werden kann.“
Zusammenspiel von Mensch und Maschine
Trotz aller Automatisierung: Im Produktionsprozess sollen nicht Menschen
durch die Maschine ersetzt werden. Es geht vielmehr um neuartige
Möglichkeiten der Zusammenarbeit von Digital- und Handwerk. „Ein
erheblicher Teil unserer Forschung im Exzellenzcluster befasst sich daher
mit neuen Formen der Mensch-Maschine-Interaktion“, erklärt Achim Menges.
Zum Einsatz kommen dabei zum einen Methoden der Augmented und Mixed
Reality, sei es visuell durch das Visualisierungsinstitut VISUS der
Universität Stuttgart, oder sei es durch haptische Ansätze, die Dr.
Katherine Kuchenbecker vom Max Planck Institut für Intelligente Systeme
vorantreibt. Zum anderen setzen die Forschenden auf die bereits
angesprochenen digitalen Zwillinge, mit denen man durchspielen kann, wie
ein Mensch mit den Robotern in verschiedenen Situationen interagiert.
„Letztendlich geht es darum, die spezifischen Skills des Roboters und des
Menschen auf zielführende Weise zusammenzubringen“, betont Menges.
Plattform wird zum Kernstück des künftigen Clustergebäudes
Die neuen Roboterplattformen ergänzen den schon bisher beeindruckenden
Gerätepark des Large-Scale Construction Robotics Laboratory, zu dem unter
anderem auch zwei Spinnen- und ein Turmkran zur Erforschung der
robotischen Kranführung sowie Anlagen für die Betonforschung gehören. Bald
soll auch ein autonomes Vehikel zum Lab hinzukommen, das die Werkstücke
von Plattform zu Plattform transportiert.
Neustadt-Hohenacker 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, so 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.“