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KUKA Roboter bei der Fertigung von Holzbauteilen[Gesponsert]

Robotertechnik revolutioniert den Holzbau

Robotertechnik revolutioniert den Holzbau
Robotertechnik revolutioniert den Holzbau (Bild: KUKA)

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Für einen Bundesgartenschau-Pavillon fertigen zwei KUKA Roboter innovative Bauteile in Holzleichtbauweise. Die Schalenkonstruktion wurde von der Natur inspiriert und einem Seeigel nachempfunden.

Die Bundesgartenschau (BUGA) ist längst mehr als eine traditionelle Gartenausstellung: Sie präsentiert auch moderne Entwicklungen im Bereich Stadtplanung und Architektur. Auf der diesjährigen BUGA in Heilbronn ist ab April neben Bäumen und Blumen auch ein innovativer Pavillon aus Holz zu sehen. Die von der Natur inspirierte Konstruktion hat das Institute for Computational Design and Construction der Universität Stuttgart (ICD) entworfen. Seit seiner Gründung im Jahr 2008 widmet sich das ICD der Entwicklung innovativer, computergestützter Entwurfs- und Bauprozesse. Dabei liegt ein Schwerpunkt auf den Einsatzmöglichkeiten von Robotern. Diese kamen auch bei der Fertigung der innovativen Holzelemente für den BUGA-Pavillon zum Einsatz: „Die Produktion der Bauteile ist komplex, aufwendig und individuell, sodass sie sich nur mithilfe von Robotern realisieren lässt“, so Hans Jakob Wagner, wissenschaftlicher Mitarbeiter und Doktorand am ICD.

Bei der Planung der benötigten Anlage wurde das ICD von der BEC GmbH unterstützt. Der Anlagenbauer mit Sitz im baden-württembergischen Pfullingen plant und integriert komplexe Robotersysteme. Dabei greift er auf bewährte KUKA Roboter. Im Produktionsprozess für den Holzpavillon kommen neben dem Zwei-Achs-Positionierer DKP-400 zwei Kuka Roboter vom Typ KR 500 FORTEC zum Einsatz, die die Bauteile zusammensetzen, verkleben und fräsen.

Der Holzpavillon – eine von der Natur inspirierte Schalenkonstruktion

„Ein Schwerpunkt unserer Arbeit liegt im Bereich der biomimetischen Forschung“, erklärt Professor Achim Menges, Leiter des ICD. „Formen, Materialien und Strukturen in der Natur weisen oft eine höhere Materialeffizienz und Funktionsfähigkeit auf als die üblichen Bauweisen.“ Auch die innovative Schalenkonstruktion des Holzpavillons ist einem Naturphänomen nachempfunden: der Hülle des Seeigels. Diese besteht aus mehreren Platten, die unabhängig voneinander und je nach Position in der Hülle wachsen.

Wie beim Seeigel sind auch die 376 Elemente des Pavillons absolute Einzelstücke. Sie werden aus Holzplatten und -balken aus Furnierschichtholz zusammengesetzt. Im Inneren sind die Kassetten hohl, ihre Form variiert: Es gibt fünf-, sechs- und siebeneckige Elemente, die 16 cm dick sind. Wenn am Ende alle Bauteile zusammengesetzt sind, wird der Pavillon 30 Meter überspannen – ohne Träger und Stützen im Inneren. Diese Leichtbauweise ist weltweit bisher einzigartig. „Jede Kassette wird für ihre jeweilige Situation maßgeschneidert – und zwar voll automatisiert“, erläutert Wagner. Ohne die automatisierte Lösung, die in Zusammenarbeit mit der BEC GmbH entstand, wäre das Projekt aufgrund des immensen Arbeitsaufwands nicht denkbar gewesen.

Roboter fertigen Bauteile voll automatisiert

Vom geplanten Pavillon liegt kein Bauplan auf Papier vor; die gesamte Konstruktion wurde digital entworfen. „Die Informationen zu den einzelnen Bauteilen werden direkt in der Softwareumgebung generiert und an den Roboter übertragen“, erklärt Matthias Buck, Geschäftsführer der BEC GmbH. In der Anlage arbeiten zwei KUKA Roboter vom Typ KR 500 FORTEC perfekt zusammen: Zunächst greift Roboter 1 nach einer Furnierholzplatte und positioniert sie auf dem Zwei-Achs-Positionierer KUKA DKP-400. Auf dem Dreh-Kipp-Positionierer wird die Platte mittels Vakuumspanntechnik befestigt. Während nun Roboter 2 den Klebstoff auf der Grundplatte aufbringt, greift Roboter 1 nach einem Tragwerksbalken. Sobald der Balken auf dem Klebstoff liegt, nagelt Roboter 2 ihn mit Holznägeln ab. Diese Arbeitsschritte werden wiederholt, bis alle Balken einer Kassette verklebt und vernagelt sind. Dann nimmt Roboter 1 die Deckplatte aus dem Magazin und legt sie auf den von Roboter 2 in der Zwischenzeit auf den Balken aufgetragenen Klebstoff. Auch die Deckplatte wird von Roboter 2 zusätzlich mit Nägeln befestigt. Die teilfertige Kassette legt Roboter 1 anschließend auf das Pressmagazin. Ist der Klebstoff ausgehärtet, werden die Kassetten vom Roboter erneut aufgenommen und auf dem DKP-400 positioniert. Roboter 2 übernimmt das Fräsen der Eckkonturen und Zinkenverbindungen sowie das Bohren der Bolzenlöcher. Wenn alle Fräsarbeiten erledigt sind, legt der Roboter die fertige Kassette in das Fertigteilmagazin.

Vorteile der Roboterfertigung im Holzbau

„Das Kleben und Fräsen der Kassetten ist in roboterbasierter Fertigung wesentlich einfacher“, nennt Hans Jakob Wagner einen der Vorteile von Robotern im Holzbau. Da der Klebstoff nur für einen begrenzten Zeitraum flüssig ist und beim Auftrag spezielle Bedingungen, wie Auftragsmenge und -gleichmäßigkeit, einzuhalten sind, spielen Geschwindigkeit und Verlässlichkeit eine große Rolle. Auch angesichts des Gewichts der einzelnen Elemente – eine Kassette wiegt bis zu 200 kg – stellen Roboter eine deutliche Arbeitserleichterung dar.

Einen weiteren Vorteil bietet die Präzision der Bauroboter: Beim Fräsen der Elemente liegt die Maßtoleranz bei weniger als 0,3 mm. Die Roboter arbeiten präzise, effizient und kostengünstig, wodurch die Teilevarianz des Pavillons möglich ist. Außerdem sind die Roboter ausgesprochen anpassungsfähig: „Wir haben die Möglichkeit, noch während des Fertigungsprozesses den Bauplan einzelner Elemente zu verändern“, hebt Matthias Buck hervor.

Perspektiven für Roboter im Holzbau und der Bauindustrie

Für die weitere Verwendung der Anlage sieht Matthias Buck großes Potenzial: „Das Sys-tem kann aufgrund seines idealen Transportmaßes auch direkt beim Holzbauer oder auf der Baustelle zum Einsatz kommen.“ Daraus ergeben sich innovative Möglichkeiten für die Bauindustrie und den Holzbau. Bislang ist die Branche kaum automatisiert. Robotersysteme könnten helfen, die steigenden Anforderungen an Stückzahlen und bezahlbare Lösungen zu bewältigen. Der Roboter würde dann zu einem praktischen Kollegen, der die Arbeiter bei schwierigen Arbeitsabläufen optimal unterstützen kann.

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