Bild: Kuka
Robotertechnik im Holzbau

Für einen Pavillon der Bundesgartenschau fertigten zwei Kuka-Roboter Bauteile in Holzleichtbauweise. Entwickelt hat die robotische Fertigungslösung das ICD der Uni Stuttgart mit dem Anlagenbauer BEC. Lösungen wie diese können die Holzbaubranche bereichern, die bisher nur bedingt auf automatisierte Fertigungsprozesse setzt.

SEBASTIAN SCHUSTER, Global PR & Content Manager bei Kuka


Die Bundesgartenschau (Buga) ist mehr als eine traditionelle Gartenausstellung: Sie präsentiert auch moderne Entwicklungen im Bereich Stadtplanung und Architektur. Auf der diesjährigen Buga von April bis Oktober in Heilbronn ist 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 (ICD) der Universität Stuttgart entworfen, das sich seit seiner Gründung im Jahr 2008 der Entwicklung innovativer, computergestützter Entwurfs- und Bauprozesse widmet. Ein Schwerpunkt der Arbeit liegt auf den Einsatzmöglichkeiten von Robotern, wie sie bei der Fertigung der Holzelemente für den Buga-Pavillon zum Einsatz kamen: „Die Produktion der Bauteile war komplex, aufwendig und individuell, sodass sie sich nur mit Robotern realisieren ließ“, so Hans Jakob Wagner, wissenschaftlicher Mitarbeiter und Doktorand am ICD.


Bei der Planung der benötigten Anlage wurde das ICD vom Anlagenbauer BEC aus dem baden-württembergischen Pfullingen unterstützt. Dieses Unternehmen plant und integriert komplexe Robotersysteme, wobei es auf Kuka-Systeme zurückgreift. Im Produktionsprozess für den Holzpavillon kamen neben dem Zweiachspositionierer Kuka DKP-400 auch zwei Kuka-Roboter vom Typ KR 500 Fortec zum Einsatz, die die Bauteile zusammensetzten, verklebten und frästen.

 

Von der Natur inspirierte Schalenkonstruktion


„Ein Schwerpunkt unserer Arbeit liegt im Bereich der biomimetischen Forschung“, betont Professor Achim Menges, Leiter des ICD. „Formen, Materialien und Strukturen in der Natur weisen oft eine höhere Materialeffizienz und Funktionsfähigkeit auf als übliche 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 Einzelstücke, die aus Holzplatten und -balken aus Furnierschichtholz zusammengesetzt werden. Im Inneren sind die Kassetten hohl, ihre Form variiert: Es gibt fünf-, sechs- und siebeneckige Elemente, die 16 cm dick sind. Nach dem Zusammensetzen aller Bauteile überspannt der Pavillon 30 m – ohne Träger und Stützen im Inneren. Diese Leichtbauweise ist bisher weltweit einzigartig. „Jede Kassette wurde für ihre jeweilige Situation maßgeschneidert – und zwar voll automatisiert“, erläutert Wagner. Ohne die automatisierte Lösung, die in Zusammenarbeit mit BEC entstand, wäre das Projekt durch den immensen Arbeitsaufwand nicht denkbar gewesen.

 

Roboter fertigen vollautomatisiert Bauteile


Von dem Pavillon lag kein Bauplan auf Papier vor; die gesamte Konstruktion wurde digital entworfen. „Die Informationen zu den einzelnen Bauteilen wurden direkt in der Softwareumgebung generiert und an den Roboter übertragen“, so Matthias Buck, Geschäftsführer von BEC. In der Anlage arbeiteten die zwei KR 500 Fortec eng zusammen: Zunächst griff Roboter 1 nach einer Furnierholzplatte und positionierte sie auf dem Zweiachspositionierer. Auf dem Dreh-Kipp-Positionierer wurde die Platte mittels Vakuumspanntechnik gehalten. Während nun Roboter 2 den Klebstoff auf der Grundplatte aufbrachte, griff Roboter 1 nach einem Tragwerksbalken. Sobald der Balken auf dem Klebstoff lag, nagelte ihn Roboter 2 ab. Diese Arbeitsschritte wurden wiederholt, bis alle Balken einer Kassette verklebt und vernagelt waren. Dann nahm Roboter 1 die Deckplatte aus dem Magazin und legte sie auf den von Roboter 2 in der Zwischenzeit auf den Balken aufgetragenen Klebstoff. Auch die Deckplatte wurde von Roboter 2 zusätzlich mit Nägeln befestigt. Die teilfertige Kassette legte Roboter 1 anschließend auf das Pressmagazin. War der Klebstoff ausgehärtet, wurden die Kassetten vom Roboter erneut aufgenommen und auf dem DKP-400 positioniert. Roboter 2 übernahm das Fräsen der Eckkonturen und Zinkenverbindungen sowie das Bohren der Bolzenlöcher. Waren alle Fräsarbeiten erledigt, legte 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. Weil 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 Gewichtes der einzelnen Elemente – eine Kassette wiegt bis zu 200 kg – stellen Roboter eine deutliche Arbeitserleichterung dar. Einen weiteren Vorteil bietet ihre Präzision: Beim Fräsen der Elemente liegt die Maßtoleranz unter 0,3 mm. Die Roboter arbeiten präzise, effizient und kostengünstig, wodurch die Teilevarianz des Pavillons möglich war. Außerdem sind die Roboter ausgesprochen anpassungsfähig: „Wir haben die Möglichkeit, noch während des Fertigungsprozesses den Bauplan einzelner Elemente zu verändern“, hebt Buck hervor.

 

Perspektiven für Roboter im Holzbau und der Bauindustrie


Für die künftige Verwendung der Anlage sieht Buck großes Potenzial: „Das System kann aufgrund seines guten Transportmaßes auch direkt beim Holzbauer oder auf der Baustelle zum Einsatz kommen.“ Daraus ergeben sich neue Möglichkeiten für die Bauindustrie und den Holzbau. Bislang ist die Branche kaum automatisiert. Roboter können helfen, die steigenden Anforderungen an Stückzahlen und bezahlbare Lösungen zu bewältigen. Sie würden dann zu praktischen Kollegen, die die Arbeiter bei schwierigen Arbeitsabläufen effizient unterstützen können.

www.kuka.com

 

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