Suchen

Gesponsert

Von der Natur inspiriert

KUKA Roboter fertigt innovative Bauteile

Ein KUKA Roboter arbeitet als digitaler Baumeister: Für ein Forschungsprojekt der Uni Stuttgart fertigt ein KUKA Roboter aus der KR QUANTEC Baureihe innovative Bauteile für die Bundesgartenschau 2019.

Gesponsert von

KUKA Roboter fertigt innovative Bauteile
KUKA Roboter fertigt innovative Bauteile
(Bild: KUKA)

Das Institute for Computational Design and Construction der Universität Stuttgart (ICD) hat in Zusammenarbeit mit der FibR GmbH einen Pavillon für die Bundesgartenschau 2019 realisiert. Dessen Leichtbaukonstruktion aus gewickelten Glas- und Kohlefasern ist besonders ressourceneffizient. Mithilfe des KUKA Roboters vom Typ KR210 R3100 QUANTEC und des Positionierers KP1-HC werden die innovativen Bauteile in einem komplett digitalen Workflow hergestellt.

Das im Jahr 2008 gegründete Institute for Computational Design and Construction der Universität Stuttgart (ICD) widmet sich der Entwicklung innovativer, computergestützter Entwurfs- und Bauprozesse. Dabei liegt ein Schwerpunkt auf den Einsatzmöglichkeiten von Robotern. Im Rahmen dieser Forschung arbeitete das ICD bereits mehrfach erfolgreich mit KUKA Robotern.

Für die Bundesgartenschau 2019 in Heilbronn hat das Projektteam des ICD, dem neben dem Institutsleiter Prof. Achim Menges die drei wissenschaftlichen Mitarbeiter Christoph Zechmeister, Serban Bodea und Niccolo Dambrosio angehören, einen besonderen Pavillon entworfen: Das Konstrukt besteht aus biologisch inspirierten Faserbauteilen. Hergestellt werden die Bauteile von der FibR GmbH. „Die Pavillon-Konstruktion hat eine Komplexität, die sich nur durch automatisierte Prozesse handhaben lässt“, erklärt Moritz Dörstelmann, geschäftsführender Gesellschafter. Die 2017 gegründete FibR GmbH ist darauf spezialisiert, leistungsfähige und expressive Faserverbundstrukturen mittels digitaler Entwurfs- und Fertigungstechnologie zu realisieren. Das roboterbasierte Verfahren zur Herstellung der Leichtbauteile für den Pavillon wurde mithilfe von zwei KUKA Produkten realisiert: Der KUKA Roboter vom Typ KR210 R3100 QUANTEC legt die Fasern um die Anschlagpunkte zweier Wickelrahmen. Diese sind an zwei KUKA Positionierern vom Typ KP1-HC befestigt.

Biologisch inspirierte Leichtbauteile aus Kohlefaser

Der für die Bundesgartenschau entworfene Faserpavillon besteht aus 60 einzelnen Bau-teilen, die bis zu 6 Meter groß sind. Die Besonderheit liegt darin, dass die einzelnen Ele-mente trotz ihrer Größe keinen Kern zur Ablage der Fasern besitzen – eine durch Natur-phänomene inspirierte Leichtbaustruktur. „Die Tragkonstruktion besteht ausschließlich aus Faserverbundbauteilen, die aus weitgespannten, ununterbrochenen Glas- und Kohlefasern hergestellt werden“, erläutert Christoph Zechmeister. Das kernlose Wickelverfahren, das die individualisierte Fertigung der zugleich leichten und robusten Bauteile ermöglicht, wurde vom ICD entwickelt. Die FibR GmbH wendet es nun in der Praxis an: Die einzelnen Elemente werden von Robotern in einem additiven Verfahren materialeffizient, kostengünstig, schnell und abfallfrei hergestellt.

Die weltweit bisher einmalige Konstruktion wurde vollständig digital entworfen, sodass die Roboterpfade direkt aus dem Entwurfsmodell abgeleitet und von den Robotern um-gesetzt werden können. Dazu werden eigens programmierte Tools zur Simulation der Roboterbewegungen und zur Generierung des KUKA Robot Language-Codes verwendet. Durch die innovativen Design- und Herstellungsmethoden lässt sich eine einzigartige Architektur erschaffen, deren Leichtigkeit und Offenheit ein ganz neues Erleben des Rau-mes mit sich bringt.

KUKA Roboter übernehmen Bauteilproduktion

Der Anlagenbauer BEC GmbH aus dem baden-württembergischen Pfullingen hat die Roboter beim ICD integriert. Bei der Produktion der weitgespannten Faserbauteile sind zwei KUKA Produkte im Einsatz: der KUKA Ein-Achs-Positionierer KP1-HC, an dem die zwei Wickelrahmen befestigt sind, sowie ein KUKA Roboter vom Typ KR210 R3100, der die Faserstränge an den Anschlagpunkten ablegt. Die komplexe Bewegung, die seitens des Roboters für die Faserwicklung erforderlich ist, wird durch ein 7-Achs-System ermöglicht: Die zwei Positionierer sind mithilfe eines Stahlrohres synchronisiert. Die dadurch entstehende horizontale Achse ist endlos drehbar und führt zur simultanen Bewegung der beiden Wickelrahmen. Im Vergleich zu früheren Applikationen wird die Kinematik des Roboters somit um eine Achse erweitert, was eine optimale Zugänglichkeit für den Endeffektor des KR210 R3100 gewährleistet.

Die Faserspulen sind am Roboterarm des KR210 R3100 befestigt. Die Faserstränge wer-den zunächst in Epoxidharz getränkt und imprägniert. Danach durchlaufen sie auf Rollen eine Spannungsregelung, bevor sie zum Endeffektor geführt werden. Der Effektor wickelt die Fasern schließlich um die Anschlagpunkte der Wickelrahmen. „Die beiden Roboter sind in einem kinematischen System synchronisiert“, fasst Christoph Zechmeister zusammen. „So können diskrete Bewegungsabläufe einfach implementiert und die Komplexität des Prozesses reduziert werden.“

Ein vollständig digitaler Workflow

Da die Roboter die Herstellung der Bauteile übernehmen, ist eine größere Differenzie-rung der einzelnen Elemente möglich. Denn durch die Präzision und Wiederholgenauig-keit der robotischen Faserwicklung lassen sich die Geometrie und Faseranordnung für jedes Element effizient individuell anpassen. „Die Fertigungspfade für die 60 benötigten Bauteile können direkt aus dem digitalen Modell generiert werden“, so Christoph Zech-meister. Zur Konfiguration der gesamten Applikation wurde die Engeneering Suite KUKA.WorkVisual eingesetzt.

Das ICD sieht in dieser Art der robotischen Bauteilproduktion die Chance, die Herstellung von weitgespannten Faserverbundkonstruktionen kosten- und materialeffizient zu ge-währleisten. Das Potenzial liegt in der Flexibilität und Skalierbarkeit des Produktions-setups sowie in der hohen Qualität der Bauteile. Auch Moritz Dörstelmann kann sich zukünftige Verwendungsarten vorstellen: „Die Anlage zeigt, dass wir durch solche Lösungen nicht nur den Ressourcenverbrauch im Bauwesen reduzieren können. Es lassen sich auch spannende neue Architekturprojekte realisieren.“

Advertorial - Was ist das?

Über Advertorials bieten wir Unternehmen die Möglichkeit relevante Informationen für unsere Nutzer zu publizieren. Gemeinsam mit dem Unternehmen erarbeiten wir die Inhalte des Advertorials und legen dabei großen Wert auf die thematische Relevanz für unsere Zielgruppe. Die Inhalte des Advertorials spiegeln dabei aber nicht unbedingt die Meinung der Redaktion wider.