Bild: HOB
Multifunktionaler Portalroboter für den Holzbau

Die Erne AG Holzbau in Stein ist eines der größten Holzbauunternehmen der Schweiz. Für den Bau von Gebäudelösungen setzt das Unternehmen seit 2015 einen Portalroboter von Güdel ein, der verschiedenste Anwendungen nicht nur mit hoher Flexibilität umsetzt – manche Konstruktionen macht er überhaupt erst möglich.

MICHAEL HOBOHM


2016 übergab die ETH Zürich dem Institut für Technologie in der Architektur ITA feierlich ein neues Gebäude zur Nutzung: das Arch_Tec_Lab. Zuvor war der Blickfang des Campus Hönggerberg in einem sechsjährigen Planungs- und Bauprozess in Leichtbauweise entstanden. Seither besticht das Lab – in dem heute Methoden der Gebäudeplanung und des Bauens erforscht werden – durch seine Dachkonstruktion: 168 seriell gefügte, per Roboter assemblierte und genagelte Fachwerkträger, die aus 48624, bis zu 3,10 m langen Kanthölzern, 820000 Nägeln und 65000 Knotenpunkten bestehen, führen die Lasten in fünf Feldern auf Stahlträger ab. Gebaut wurde die Konstruktion von der Erne AG Holzbau, die dafür Europas größten Portalroboter eingesetzt hat. Der Roboter, von der Güdel AG in Langenthal gebaut, kann Werkstücke bis 48 m Länge und 6 m Breite fräsen, sägen, bohren, schrauben, nageln oder kleben.

 

Architektonische Gesamtleistungen


Mit Systemlösungen in Element-, Modul-, Hybrid- und Stahlleichtbau verwirklicht Erne Gebäudeanlagen sowie integrale Fenster- und Fassadensysteme. Zum Leistungsprofil für Neubau- und Sanierungsprojekte gehören außerdem der gehobene Innenausbau, traditionelle Schreinerarbeiten und ein umfassender Service. Erne entwickelt, plant und realisiert gemeinsam mit Kunden und externen Spezialisten wie Architekten und Fachplanern nachhaltige Gebäudelösungen, die temporär oder dauerhaft eingesetzt werden. Auf die Nutzerbedürfnisse abgestimmt, entstehen so architektonische Gesamtleistungen für die Bereiche Bildung, Gesundheit, Industrie und Wohnbau. Das Unternehmen beschäftigt an den Standorten Laufenburg und Stein circa 300 Mitarbeiter, die 2017 einen Umsatz von 140 Millionen Schweizer Franken erwirtschaftet haben. Am Standort Stein angesiedelt ist der Holzbau sowie die Elementproduktion und modulare Raumzellentechnik. Bedient wird vorwiegend der deutsch- und französischsprechende Teil der Schweiz. Seit zehn Jahren bearbeitet Erne aber auch erfolgreich den deutschen Markt, wo heute 30 Prozent des Umsatzes gemacht werden. Dass dieser Markt sogar stark wächst, ist auf die Monopolstellung des Unternehmens beim Raumzellenbau in Holzbauweise zurückzuführen.

 

Auf dem Weg zur Automatisierung


2006 befasste sich Erne erstmals damit, die Produktion in Stein zu automatisieren, wo bis dahin vorwiegend von Hand gefertigt worden war. Indem man in den Kategorien klassischer Maschinenanbieter dachte, spielte Robotik dabei noch keine Rolle. So nahm man 2009 zur Automatisierung der Boden-, Dach- und Deckenfertigung eine Anlage von Weinmann in Betrieb, mit der bis heute liegende Gebäudeteile produziert werden. Die Entwicklung am Markt führte jedoch dazu, dass auch über die automatisierte Fertigung von Wänden nachgedacht wurde. Aufgrund der komplexeren Geometrien war die Ablösung der manuellen Fertigung hier aber deutlich schwieriger. Besonders bei Außenwänden, wo neben Fenstern oder Rollladenkästen unter anderem auch die Luftdichtigkeit zu berücksichtigen ist. „Die Lösungen, die herkömmliche Anbieter damals boten, entsprachen nicht unseren Anforderungen“, sagt Thomas Werle, Mitglied der Geschäftsleitung von Erne. „Damit ließen sich nur Holzteile zusammenfügen – die nachfolgenden Prozesse aber mussten weiter manuell ausgeführt werden. Außerdem war die Fertigung unflexibel in Bezug auf die zu bauenden Elemente. Daher mussten wir die Automatisierung der Wandfertigung noch einmal aufschieben.“ Allerdings kam dann mit dem Besuch von Kuka auf der Ligna 2013 das Thema Robotik ins Spiel. „Wir wollten mit Kuka und einem deutschen Maschinenhersteller ein Projekt initiieren“, so Wehrle. „Geplant war eine Fertigungsstraße mit drei oder vier Robotern auf einer Linearachse. Ein tolles Konzept, aber finanziell nicht machbar.“

 

Robotik kommt ins Spiel


Zu der Zeit war Erne schon länger mit der ETH Zürich in Kontakt, die die Machbarkeit des Arch_Tec_Lab-Daches angefragt hatte. Grundtenor von Erne: Die Fertigung ist möglich, aber nur mit Anpassungen an die vorhandene Maschinentechnologie. 2012 schrieb die ETH das Dach dann nochmals aus – und Erne bekam den Zuschlag. Es schloss sich eine weitere Planungsphase an, in der auch das Thema Robotik konkrete Formen annahm. Denn inzwischen hatte sich Erne intensiv mit einer Woodflex-Anlage aus Langenthal beschäftigt. „Klar war: Das ist genau das, was wir brauchen. Das Konzept, die Flexibilität der Bearbeitung und die Kosten passten“, so Wehrle. „Von da an wollten wir so Wände fertigen und das ETH-Projekt umsetzen. Zudem flossen Überlegungen in die Konzeption ein, wie sich mit der Anlage auch Dächer fertigen lassen.“ So kam es zur Zusammenarbeit mit Güdel.


Als Anbieter von Portalen, Robotern, Linearachsen, Ritzeln, Zahnstangen bis hin zu Getrieben hat Güdel die komplette Hardware von Automatisierungslösungen im Portfolio. Während diese Komponenten vom Langenthaler Unternehmen in hoher Fertigungstiefe hergestellt werden, kommt die Software zum Betrieb der Anlagen stets von externen Anbietern. Erne stellte daher die Verbindung zu ROB Technologies her, einem Spin-off der ETH, der sich mit der Anlagenprogrammierung beschäftigt. So konnte Güdel schließlich das Gesamtpaket aus Maschinentechnik, Robotik und Software anbieten. Weil die Anlage dann schnell in Betrieb gehen sollte, schloss sich eine intensive Arbeitsphase an: Im Dezember 2013 erfolgte die Präsentation, im April 2014 waren die Preisverhandlungen abgeschlossen, im November 2014 gingen die ersten Träger über die Anlage, 2015 wurde der Portalroboter offiziell in Betrieb genommen. „Bei all dem war uns wichtig, dass die Anlage eine hohe Flexibilität in der Anwendung aufweist“, betont Wehrle. Umgesetzt wurde das in erster Linie mit einem Kombiaggregat, das der Roboter für unterschiedliche Bearbeitungen einsetzen kann. Auch neue Aggregate können problemlos verwendet werden, sodass sich zahlreiche Bearbeitungsprozesse wie das Legen, Heften oder Bearbeiten abdecken lassen. Neben der Bearbeitung mit der Hauptspindel sind mit einer zweiten Spindel zudem spezielle Arbeiten wie das Bohren oder Ausfälzen möglich, wofür die nötigen Werkzeuge aus einem Wechsler eingetauscht werden.“

 

Breites Einsatzspektrum


Als erstes führte Erne 2015 mit der Portalanlage die Trägerfertigung aus, die bei sechsmonatiger Bearbeitungsdauer zu hoher Akzeptanz bei den Mitarbeitern führte: Zum einen wäre die Fertigung von Hand deutlich aufwendiger gewesen, zum anderen sahen die Bediener, dass ihnen die Anlage nicht die Arbeit wegnahm. Ohnehin war von Beginn an eine enge Kollaboration von Mensch und Maschine geplant. Heute führen die Mitarbeiter in der Anlage Tätigkeiten aus, die der Roboter nicht oder nur mit großem Aufwand vornehmen könnte – etwa das Verlegen von Rohren oder Einbringen von Dämmung.


Nachdem die Herstellung des Daches für die ETH abgeschlossen war, ging man in Stein direkt zur Wandfertigung über. Auch hier zeigte sich wieder die Flexibilität der Anlage: Ein Kettenförderer am Boden, der für den Transport von Elementen in den nächsten Anlagenbereich bis dahin nicht erforderlich war, wurde integriert. „Solche Integrationen können bis hin zu Lösungen für das Einbringen der Isolierung gehen“, ergänzt Stefan Jack, verantwortlich für Business & Solutions Development bei Güdel. „So gibt es heute Systeme mit Einblashauben, die sich jederzeit nachrüsten lassen.“ Andocken könne man an das Kupplungssystem im Prinzip alles, so dass sich Erne gut auf neue Anwendungen gut vorbereitet sieht.


Aktuell baut Erne mit dem Portalroboter vor allem Innenwände, aber auch Sonderteile sowie Wände, deren Türen- oder Fensterausschnitte nicht zu komplex sind. Die Wände durchlaufen dabei in der Anlage mehrere Zonen. Nach dem Einführen der Elemente und dem Beplanken des Rahmens in Zone 1 kommen sie in Zone 2, wo Handarbeiten wie das Einschieben der Dämmung ausgeführt werden. Nachdem die Wand gewendet wurde, übernimmt der Roboter in Zone 3 erneut die Bearbeitung und schließt das Element. Die Flussfertigung einer Außenwand mit verschiedensten Fensteröffnungen, Rollladenkästen oder Starenkästen ist aus Sicht von Erne derzeit nicht vorgesehen, weil der Zeitaufwand in der Handarbeitszone zu groß sei. „Darüber hinaus bietet die Anlage aber eine ganze Reihe weiterer Anwendungsmöglichkeiten“, so Wehrle. „Das zeigt der Holzbau, bei dem wir neben dem Zusammenbau auch den Abbund praktizieren können. Ein weiteres Beispiel ist der Fertighausbau, wo die hergestellten Wände nicht mehr bearbeitet werden. Dagegen sind wir in der Lage, das gebaute Element vom Roboter bearbeiten zu lassen. Das zeigen Duschwannen oder Abläufe, die wir schon in das Bodenelement gefräst haben.“ Indem sich Freiformen am Element fräsen ließen, sei man in der Lage, Konstruktionsdetails zu optimieren und Prozesse in neuer Reihenfolge zu verketten. Hohe Genauigkeit und Qualität seien dabei garantiert: „Bei der Duschwanne, die mit einem 20-mm-Fräser gefertigt wurde, waren keinerlei Absätze in der Fräsbahn erkennbar“, so Wehrle. „Die Genauigkeit hat uns überwältigt.“ Dazu ergänzt Jack: „Entscheidend ist hier die Positioniergenauigkeit der Anlage. Sie beträgt im unbelasteten Zustand 20 µm.“

 

Multifunktionsanlage in Stein


Für Erne ist die Portalanlage von Güdel heute eine Multifunktionsanlage, mit der sich viele Anwendungen umsetzen lassen. „Wenn die Anlage keine Wände fertigt, fräsen wir zum Beispiel Treppenwangen“, erzählt Wehrle. „Oder wir nesten große OSB-Platten, wo uns die Bearbeitungsfläche von 6 x 48 m und 1,45 m Höhe viel Raum lässt. Nicht zuletzt erhöhen wir so den Ausnutzungsgrad der Anlage.“ Die zentrale Forderung nach Flexibilität wurde demnach erfüllt. Das zeigt nicht zuletzt eine überlebensgroße Skulptur, die derzeit in Stein für eine große internationale Ausstellung gefertigt wird.

www.gudel.com
www.erne.net

 

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