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Digitale Fabrikation am Beispiel Mauerwerk

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Bearbeitet von Sören-T. Koeplin | 0817448 (soeren-tormod.koeplin@student.uibk.ac.at) im WS 2008/09


Mit Hilfe der Roboter gestützten Fertigung sind heute viele gestalterische Lösungen möglich, die in der Vergangenheit auf Grund von Kosten sowie Zeitgründen nicht realisiert wurden. Die Verwendung selbstständig arbeitender Maschinen gibt den Weg frei für diffizilere Entwürfe. Diese gewinnen durch die digitale Verknüpfung und der hohen Fertigungsgenauigkeit der Robotertechnik nun mehr wieder an Bedeutung.

Welche Systeme gibt, wie wurden diese bisher genutzt und wohin kann sich das ganze Entwickeln? Im folgenden sollen diese Punkte mit einer Spezifizierung auf den Mauerwerksbau näher beleuchtet werden.


Inhaltsverzeichnis

Begriffsdefinition: "Digitale Fabrik"

Ebenen der Digitalen Fabrik Vom Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung, Stuttgart

Die Digitale Fabrik kann als eine Optimierung zwischen der Planungs- und der Produktionsphase verstanden werden. Ziel dieser Entwicklung ist die Optimierung im Zusammenspiel der beiden Abschnitte, sie wird definiert als „[…] Oberbegriff für ein umfassendes Netzwerk von digitalen Modellen und Methoden unter anderem der Simulation und 3D-Visualisierung. Ihr Zweck ist die ganzheitliche Planung, Realisierung, Steuerung und laufende Verbesserung aller wesentlichen Fabrikprozesse und -ressourcen in Verbindung mit dem Produkt.“ [1]

Ziel dieser Verknüpfung ist die Effizienzsteigerung im Entwicklung- und Produktionszyklus, sowie deren Schnittstelle. Die Fertigungstechnologie wird in den Bereichen der Automobil- und Luftfahrtindustrie schon weitestgehend genutzt. Um dieses System auch in der Bauindustrie einsetzen zu können, sind die folgenden Punkte zu gewährleisten. Neben der digitalen Planung welche die Datenbasis darstellt, muss eine geeignete Schnittstelle zur Datenübermittlung vorhanden sein. Diese dient als Integrationsplattform, welche als Produktionsbasis die Informationen an die Maschinen bzw. den Roboter in der Produktion übermittelt. Unumgänglich in diesem Prinzip ist die Umsetzung in der Produktion. Sollten mit dem Stand der Technik bzw. des Fachwissens des Produktionsbetriebes die Herstellung unmöglich sein, so scheitert das System schon in der Theorie.

Die Vorteile dieses Systems sind klar erkennbar. Durch die Verringerung der Distanz zwischen Planung und Produktion kann der Gesamtprozess optimiert werden; d.h. das in erster Linie zu einer Zeit bezogenen Reduktion kommt, diese führt neben einer optimierten Arbeitsweise in den Prozessen zu einer Kostenreduktion. Des weiteren ergeben sich aus dieser Verschlankung wesentliche Vorteile für die Umwelt, da schon vor Produktionsbeginn alle wichtigen Fakten vorliegen, ist eine durchgängig Ressourcen sparendere Herstellung in allen Bereichen unumgänglich. Weiterhin ist noch die hohe Kostengenauigkeit zu nennen, die auf Grund einer reduzierten Anzahl an Faktoren hervorgeht. Und es wird durch die maschinelle und Roboter gestützte Produktion eine höhere Fertigungsgenauigkeit erreicht. Zudem kann es durch die direkte Datenweitergabe an die Produktion es zu geringeren Mehrkosten bei unterschiedlichen Elementen kommen.

Negativ zu werten sind im Gegensatz dazu die Tatsache, das unbemerkte übermittelte Planungsfehler zu einer Fehlproduktion führen können, sowie der Gedankengang, dass die Differenz zwischen reduzierten Produktionsaufwand bzw. dessen Vorbereitungsphase und der erhöhten Planungsleistung,(welcher in der Regel von Architekten oder Ingenieuren geleistet wird,) zu einer Verschiebung in der Honorierung der Leistung führt. Diese sollte Beachtung finden, das es sonst zu einer ungerechten Honorierung führen kann.

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Herstellungsverfahren

Die Herstellungsverfahren der digitalen Fabrikation lassen sich in zwei Hauptgruppen gliedern, die Roboter gestützte Fertigung im additiven Schichtverfahren; sowie ein Vergussverfahren in welchem heutzutage auch Roboter zum Einsatz kommen, jedoch das Rohmaterial unter einem anderen Ansatz verbunden wird. Des weiteren sind alle Fertigungsverfahren zu denen keine Infos, bzw. keine genaue Zuordnung zu finden war unter Sonstige zu finden.



Vergussverfahren

Das Vergussverfahren basiert im Grundlegenden auf einer Verfüllung von Kanälen in den Steinen mit Beton (den so genannten Mauertafeln ), einer Verfüllung bzw. eines vergießens der Stoß- und Lagerfugen (den so genannten Vergusstafeln ), oder einer Vergussschicht auf der Steinaußenseite bzw. zwischen 2 Mauerscheiben (den so genannten Verbundtafeln )



Mauertafeln

Prinzip der Mauertafeln

...das Verfahren der Fa. Schaeffer (Gries/Elsaß)

Dieses Verfahren ähnelt stark der konventionellen Bauweise. Die Tafeln bestehen aus Plan geschliffenen Hochlochziegeln mit einer mittigen Rundlochung von ca. 5 cm Durchmesser, sowie einer halbkreisförmigen Aussparung an den Seitenflanken der Steine. Diese Steine wurden durch ein flüssiges Mörtelbett gezogen und im Anschluss vor einer leicht geneigten Arbeitsplatte positioniert. Durch die Genauigkeit der geschliffenen Ziegel ist eine wenige millimeter dicke Lagerfuge ausreichend. Die leicht geneigte Arbeitsplatte ergibt durch das Anlehnen der Steine im Endeffekt ein optimal plane Wandoberfläche. Die Stoßfugen bleiben in diesem Arbeitsschritt ohne Behandlung, die Dichtigkeit des Mauerwerkverbandes wird durch das nachträgliche Verfüllen der Rundlochungen gewährleistet. Zuvor werden jedoch in diese Lochungen Trageeisen eingebracht die, zum Transport und zum Versetzen der Tafeln dienen. Diese Art der Konstruktion ist eine der wenigen Produktionsweisen, die in stehender Form hergestellt wird. Durch diese Art der Herstellung, ist die Form des fertigen Elementes immer von der dahinter liegenden Arbeitsebene, sowie durch das Prinzip der Lochverfüllung abhängig. Eine Abweichung von den geraden Wandelementen ist somit weitestgehend ausgeschlossen bzw. erfordert Sonderlösungen, die wiederum mit Mehrkosten verbunden sind. In den heutigen Herstellungsprozessen, die sich in halb- und vollautomatisierte Anlagen unterteilen, werden die Mauertafeln in einer frei stehenden Variante produziert. Somit ergibt sich für die Weiterentwicklung bzw. Sonderlösungen eine geringere Begrenzung als in der Entwicklungsstadium.


 Das System der Mauertafeln hat sich am besten in der Praxis bewährt und ist mit zunehmenden Präsenz vertreten. 
 Auf Grund des hohen Informationsgehalts wurden die entsprechende detaillierte Betrachtung auf eine externe Wiki-Seite ausgelagert. 
 Alle dort zu finden Infos stehen im engen Bezug zu diesem Artikel. 


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Vergusstafeln

...das Firorio Verfahren

Diese Art der Vorfertigungsform kann bereits auf ein halbes Jahrhundert Praxiserfahrung zurückgreifen. Im Gegensatz zu den Mauertafeln werden diese Fertigteile in einer liegenden Schalung produziert, welche durch die Verwendung von besonderen Ziegelsteinen als Wand- und Deckenelemente verwendet werden können. Prinzipiell werden für die Elemente Formkästen erstellt, die mit den Sonderziegeln ausgelegt werden. Die besondere Form der Steine ermöglicht das direkte Einbringen der Steine ohne vorherigen Mörtelauftrag, durch die auf der Rückseite offenen Fugen wird das Element mit Beton vergossen, die Fertigteile erhalten somit ihre Stabilität. In diese rückseitig offenen Stoß- und Lagerfugen wird je nach Bedarf eine Bewehrung eingebracht, die auf die Transport- und Montagelastfälle abgestimmt wurde. Das Vergussverfahren wird in zwei Typen unterschieden, die Hochlochtafeln und die Rippentafeln, zudem gibt des noch eine Sonderform, die sogenannten Verbundtafeln. Bei dieser Art der Fertigung sind die Stoßfugen nicht versetzt, sondern laufen in einem von oben nach unten durch, man spricht hier von einem Kreuzfugenverband. Dieses System besitzt im Verhältnis zu den Mauertafeln einem erhöhten Grad der Vorfertigung. So können innerhalb des Produktionsprozesses schon Sanitär- und Elektroleitungen, Fenster, Türen, Rolllädenkästen und sonstige Einbauten in die Fertigelemente integriert werden, bis hin zu einem vorhergehenden verputzen der Wände vor der Montage. Diese Elemente können in Längen von bis zu 10m produziert und montiert werden. Auch bei dieser Produktionsweise sind durch die Schalungsform und die Steinformen die Ausführungen auf gerade Flächen begrenzt, 1-sinnig oder sogar 2-sinnig gekrümmte Flächen sind mit dieser Art der Produktion kaum denkbar.



Bilder zu Verguss-/ Hochloch-/ und Rippentafeln



Hochlochtafeln

Hochloch- und Rippentafeln sind Untergruppen der Vergusstafeln, Sie unterscheiden sich lediglich durch den verwendeten Stein und speziell durch die Ausfachungsart mit Beton. Hochlochtafeln sind Elemente mit einer Vollverfugung; d.h. die Stoß- und Lagerfugen soweit möglich mit Beton vergossen werden, Sie sind also gleich tief. Dies hat den Vorteil, dass die Wände durch ihr hohe Dichte, sehr gute Schallschutzeigenschaften besitzen und durch den hohen Betonanteil, sowie die Option des Einbringens von Bewehrung auch erheblich stärker belastbar sind. Zum anderen sei bemerkt, dass durch das somit hohe Eigengewicht, die Mehrlast in der Statik und im Transport berücksichtigt werden muss.



Rippentafeln

Rippentafeln werden Teilverfugte Elemente bezeichnet. Hierbei laufen die Stoßfugen durchgehend wie den Hochlochtafeln nach unten und die Lagerfugen liegen nur im hinteren Bereich des Mauerwerkes. Der Stein selbst sieht auch anders aus, er hat keine gleichmäßig durchgehende Lochung wie es bei den Hochlochtafeln der Fall ist, sondern besitzen diese kleine Lochstruktur nur im hinteren Bereich des Steins. Im vorderen Teil befinden sich große Kammern. Diese Wandart ist für Außenwände geplant worden, Sie konnten ohne weitere Dämmung als Außenwände verwendet werden. Durch die Optimierung der Steine z.B. dem Wegfall der Stoßfugenvermörtelung in der konventionellen Bauweise und dem ansteigenden Anforderungen für den Wärmeschutz, sind diese Bauformen ohne eine weitere Dämmschicht heute als Außenwände nicht mehr Nutzbar. Zudem kommt es durch die dünne Strukturierung auf der Außenseite zu statischen Problemen. Dieser filigrane Bereich darf bei der statischen Berechnung, nicht als tragendender Bestandteil gerechnet werden. Allein der hintere kleiner gelochte Abschnitt kann in dieser Konstruktion die Lasten aufnehmen.



Verbundtafeln

Gebogene Ausführung von Verbundtafeln

...das Costamagna Verfahren

Die Verbundtafeln sind eine Sonderform der Vergusstafeln. Die Fertigung basiert ebenfalls auf dem Verfüllen mit Beton; nur werden hierbei aneinander gereihte Hohlziegeln mit profilierten Außenwänden verwendet. Sowie die Tatsache, dass die eigentlichen Steine nachher nicht mehr Sichtbar sind, sondern mit einer Betondeckschicht versehen wurden. Das Herstellungsprinzip, sowie die statische Berechnung entspricht einem Betonelement mit Verdrängungskörpern. Zu aller erst wird eine frische ca. 3,5 cm dicke Betonschicht gegossen in welche die Hohlziegel in der Kammerrichtung dicht und in der Querrichtung mit einem Abstand von ca. 3,0 cm zueinander verlegt werden. Im Anschluss daran wird die Konstruktion mit einer weiteren Betonschicht bedeckt, die auch die Fugen zwischen den Hohlziegeln füllt. Es entsteht ein Hohlkammerelement, dass im weiteren auch durch eine weitere Steinschicht zur einer zweischaligen Verbundtafel erweitert werden kann. Die Elementstärken dieser Konstruktion liegen zwischen 33 und 62,5cm dicke. Die Potentiale und Defizite dieser Konstruktion sind die selben wie bei den Vergusstafeln, nur dass man bei dieser Art der Konstruktion im Anschluss bestimmten kann, welche Attribute die Wand besitzen soll. Folgende Optionen sind möglich:


a.) Verfüllen der Hohlziegel mit Beton -> erhöhen der Festigkeit/Tragverhalten + bessere Schalschutzeigenschaften;


b.) Verfüllen der Hohlziegel mit Dämmung -> erhöhen des Wärmeleitwiderstands (Nach dem heutigen Stand der Technik ist diese Art der Ausführung für den Wärmeschutz nicht ausreichend. Es gilt diesbezüglich das Selbige wie bei den Rippentafeln);


c.) Hohlraumnutzung für Kabelführungen ect. -> Hierbei muss die Revisionierbarkeit und der Übergang von Decken und anderen horizontalen Bauteilen bedacht werden.



Bilder zu Verbundtafeln



Roboter gestützte Fertigung im additiven Schichtverfahren

Im Bereich der Roboter gestützten Fertigungsprozesse sind alle Systeme in der Lage gewesen ihre Funktionsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit nachweisen zu können. Leider haben es nur zwei Systeme geschafft in der Industrie Einkehr zu nehmen. Dieses sind das Projekt der ETH-Zürich in Kooperation mit der Keller Ziegeleien AG, sowie die Weiterentwicklung zur mobilen Produktionseinheit R-O-B und der Mauerroboter ROCCO, der unter der Firma Lissmac im Fertigungsbereich der Xella-Gruppe tätig ist.



Roboter gesteuerte Fertigung

Verfahren der ETH Zürich in Kooperation mit der Kellerziegeleien AG [2005]

Hierbei handelt es sich um eine Forschungs- und Entwicklungsarbeit, der ETH (Eidgenössische Technische Hochschule) Zürich in Zusammenarbeit mit der Keller AG Ziegeleien. Das Institut für Digitale Fabrikation der ETH unter der Leitung von Prof. Garmazio und Prof. Kohler hat 2005 den Roboter K150 L110 der Firma Kuka angeschafft. Dieser Robotertyp wird normalerweise in der Automobilindustrie eingesetzt, ist jedoch auch bestens für den Einsatz in anderen Bereichen geeignet. Er ist ein Knickarmroboter mit 6 Knickachsen, der mit einen Drehkreis von 360° Grad und einem Arbeitsradius von 3,00 m Lasten bis zu einem Gewicht von 110kg mit einer Genauigkeit von 0,5mm versetzen kann. Der Roboterknickarm ist auf einer 6,50m langen Schiene befestigt, welcher seinen Arbeitsradius weiter erweitert. Dieses System nutzten die Professoren unter Mithilfe der Studenten für ein Produktionsverfahren zur Herstellung von Mauerwerkselementen. Die digitale Entwicklung entstand auf der Basis des Computerprogramms "Maya", welches durch eigenständige Softwareerweiterungen der ETH für das Wahlfach Digitale Fabrikation ergänzt wurde. Die Entwicklung ging soweit, dass für den Fertigungsprozess sogar die genaue Lage des Epoxidharzklebers auf den Steinen an den Roboter weitergegeben wurde. Die ist ein wesentlicher Unterschied zu den vorhergegangenen Fertigungstechniken. Die Steine werden nicht mit Beton oder Mörtel verbunden, sondern "mit einem Zwei-Komponenten-Imprägnierharzkleber auf Epoxidharzbasis [...]. Der Ziegelhersteller übernahm als Industriepartner die Systemgarantie und steuerte das erforderliche Know-How zur Errechnung des Klebeauftrags bei."[1] Die Fertigung erfolgt in einem freien Hochbau wie es aus der händischen Arbeit bekannt ist. Unter einem gestalterischen Ansatz wurden an der ETH mit verschiedenen Wandoberflächen herum experimentiert. An den Beispielen aus der Praxis lassen sich die Potentiale des Systems recht deutlich ablesen. Die Entwürfe und Realisierungen reichen von einfachen Verdrehungen der Steine um deren Mittelachse bis hin zu zwei sinnig gekrümmten Flächen, die durch ihre Form die erforderliche Standfestigkeit vorweisen (siehe z.B. den Domoterra Messestand). Die fast uneingeschränkten Möglichkeiten sind jedoch auch mit gewissen Nachteilen behaftet, so kann die additive Produktion mit Normsteinen in gebogenen Flächen nur durch offene Stoßfugen ermöglicht werden. Die Elemente können also nur im Raumbildenden Ausbau, als offene Innenwände, Elemente mit geringeren Anforderung wie z.B. Brüstungen und Geländerkonstruktionen verwendet werden. Für die Verwendung als Außenhülle ist zwangsläufig eine weitere Schale zur thermischen Trennung notwendig (siehe z.B. das Weingut Fläsch).


Dieses System befindet sich immer noch im Entwicklungsstadium. Eine Weiterentwicklung dieses Systems ist die Fabrikationseinheit R-O-B , diese ist im Gegensatz zur oben beschriebenen Produktion ohne Örtliche Bindung zu arbeiten.

 Auf der Seite der Kellerziegeleien AG gibt es einen frei Verfügbaren Wall Creator zur generierung   von freien Wandelementen nach Bildvorgabe.



Bilder der Roboter gesteuerten Fertigung der ETH Zürich



R-O-B

(ROBotic Fabrication Unit) [2007] http://www.r-o-b-about.com

R-O-B Fabrikationseinheit auf der Biennale 2008 in Venedig
Dieses System ist eine Weiterentwicklung der Robotergesteuerten Produktionseinheit. Die technische Entwicklung und die Optimierung des Systems ermöglichte die Produktion eines Überseecontainers, der eine Robotereinheit beinhaltet. Diese Anlage dominiert durch Ihre freie Ortswahl, so kann durch das Nutzen dieser Produktionseinheit bei einer Vorortproduktion auf Regionstypische Produkte zurückgegriffen werden. Zudem ist eine Fertigung von Elementen die über die normalen Transportgrößen gehen hinweg zu sehen. Problematisch wird es beim direkten Aufbau von Wandelementen. Die Produktionseinheit ist so groß, dass Sie durch ihre Ausmaße nicht frei im Gebäude aufgestellt werden kann. Die auf der Biennale in Venedig 2008 erstmals genutzte Anlage, musste auf Grund der örtlichen Gegebenheiten, die Teilsegmente im freien Produzieren und diese wurden im Anschluss mit dem Gabelstapler an Ihren Bestimmungsort gebracht.

Des weiteren ist auf dem rechts abgebildeten Foto deutlich die freie Formensprache zu erkennen. Während der additiven Stapelung der Steine werden Behelfskonstruktionen in den Aufmauerungsprozess mit eingebunden. Diese müssen vor dem Transport zum Austellort durch den Roboter, bzw. durch händische Arbeit entfernt werden. Dieses System befindet sich immer noch im Entwicklungsstadium. Dies bezüglich sind bisher keine weiteren Infos über das System bekannt.


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Mauerroboter ROCCO

Mauerroboter ROCCO

(RObot assembly system for Computer integrated COnstruction) [1992]

Hierbei handelt es sich um ein von der EUREKA gefördertes EU-Forschungsprojekt, welches in Zusammenarbeit von Firmen und Instituten aus Deutschland, Belgien und Spanien bearbeitet wurde. Die Synergieeffekte aus diesem internationalen und vielfältigen Zusammenschluss bildeten eine gute Grundlage für die Forschungsarbeit, neben dem reichhaltigen Know-How aus den Bereichen Baubetrieb, Maschinenbau, Produktions-, Automatisierungs- und Steuerungstechnik, sowie der Informatik konnten gleichzeitig auch die verschiedensten Anforderungen aus mehreren Ländern berücksichtigt werden.

Hauptantragsteller und Koordinator war die Firma Lissmac Maschinenbau und Diamantwerkzeuge GmbHaus Bad Wurzach [DT], die sich zu diesem Zeitpunkt schwerpunktmäßig mit der Fertigung von Steinsägeanlagen und den mechanisierungshilfen für den Mauerwerksbau beschäftigte. Die Firma Lissmac produzierte im Anschluss den ersten weltweit in Serie gefertigte Knickarm-Schwerlastroboter für die Baubranche zum Einsatz in einer vollautomatischen Wandvorfertigungsanlage. Die Verbreitung dieses Systems konnte jedoch auf Grund einer zu geringen Nachfrage aus der Bauwirtschaft nicht weiter voran getrieben werden. Einzig in einer Herstellungsanlage der Vorfertigung von Mauertafeln der Firma Xella für Porenbetonsteine ist diese Technik heute noch zu finden. Ein weitere Fabrik für die Mauerarbeiten von Leichtbetonsteinen in Thailand ist durch die Firma Lissmac in Planung.


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Allgemeine Fakten (ROC)
  • Traglast bis zu 350 kg
  • Verwendung unterschiedlichster Steintypen möglich
  • Durchmesser des Arbeitsraum von ca. 4,50m bzw. 5,50m
  • Eigengewicht 2,0 Tonnen
  • Knickarm mit 5 Gelenkspunkten
  • Fortbewegung über Diagonalreifenantrieb



Grundanforderungen / Leitgedanken für den Baustelleneinsatz (ROC)

Im Mittelpunkt stand die Entwicklung eines Mauerroboters, der senkrechte Wände auf der Baustelle realisieren sollte. Nach einmaligem Absetzten des Roboters, sollte dieser selbständig auf die Steinpaletten zugreifen können und nach abgeschlossener Arbeit einen eigenständigen Posiotionswechsel und der anschließenden Wiederaufnahme der Arbeit vornehmen. Neben dieser in sich schon komplexen Aufgabe, sollte es zudem möglich sein verschiedenste Verbindungsarten von Wandstößen zu realisieren. Die verzahnte Bauweise, das anstoßen von Wänden unter verschiedenen Winkeln, sowie die Stumpfstoßtechnik mit Mauerankern als Bindeglied sollten realisiert werden. Bei der letzten Fertigungsart sollte zusätzlich zu dem Aufmauern das Einbringen der Maueranker automatisch vorgenommen werden. Des weiteren standen folgende Punkte ebenfalls zur Debatte:


  • Aufbringen einer Ausgleichsschicht


  • Auftrag von Mauer- bzw. Dünnbettmörtel


  • Versetzen der Mauer- bzw. Paßsteine


  • Selbstständige Ausrichtung des Roboters am Arbeitsort


  • Selbstständige Steinentnahme von den Paletten


Im wesentlichen sollten mit dieser Einheit alle gebräuchlichen Arten an Steinen und Formaten verwendet werden können. Im ersten Schritt begrenzte man die Verwendung auf planparallele Steine mit Dünnbettmörtel. Unter diese Rubrik fallen Kalksandsteine, Porenbeton und Planziegel. Im zweiten Schritt sollte dann die Verwendung aller üblichen Steine und Formate in Verbindung mit Dickbettmörtel realisiert werden. Außerdem musste die Prodkutionseinheit in der Lage sein auf örtlichen Gegbenheiten reagieren zu können. So musste der Roboter in der Lage sein auf Witterungseinflüsse und die Rohbautoleranzen der Betondecke reagieren, bzw. auch die Belastbarkeit der Betondecke nicht zu sehr zu strapazieren.



Arbeitsablauf & Arbeitsvorbereitung (ROC)

Arbeitsvorbereitungsphase (ROC)

  • Formatierung der CAD-Daten ... die CAD-Darstellung des Gebäudes dient als Grundlage zur Umwandlung in Einzelelemente bzw. Steine


  • Baustellenlayout ... die optimalen Aufstellungsorte des Mauerroboters werden festgelegt, sowie die genaue Lage der Steinpaletten und die Anordnung der Sondersteine auf der Palette


  • Vorfertigung der Paßstücke ... die Sondersteine bzw. Paßstücke werden nach den aus den CAD-Daten gezogenen Angaben vorgefertigt und nach der bereits festgelegten Anordnung auf Paletten gestapelt


  • Generierung der Robotersteuerung ... alle relevanten Daten aus den drei vorhergehenden Arbeitsschritten werden an ein Steuerungsprogramm übermittelt und im Anschluss an die Robotersteuerung übergeben


Ablauf auf der Baustelle (ROC)

Die grobe Positionierung des Roboters erfolgt mittels eines üblichen Baustellenkrans, dieser setzt den Roboter auf der Arbeitsebene ab. Nachdem anschließenden einmessen des Roboters nimmt dieser seine ungefähre erste Arbeitsposition selbständig ein. Die durch den Kran nur grob gesetzten Steinpaletten werden manuell nach justiert und sollen im Laufe der Forschungsarbeit auch von einer ungenauen Position vom Roboter genutzt werden können. Wenn der Roboter seine ungefähre Arbeitsposition erreicht hat, werden Mittels eines Korrekturwerts zur genau vorbestimmten Position die Arbeitsabläufe des Roboters angepasst. Dies geschieht alles in der internen Betriebssoftware des Roboters. Auf die anschließende Verfestigung der Standsicherheit mittels seitlicher Abstützungen beginnt der eigentliche Arbeitsprozess. "Nach dem Greifen des entsprechenden Steins von der Palette wird der Stein vom Manipulator in eine Annäherungsposition gebracht." [1] Die Feinpositionierung wird im Anschluss durch das Versetzungswerkzeug vollzogen. Dieses muss also die anfallenden Toleranzen kompensieren können. Im Abschluss zur Fertigstellung eines Teilabschnittes macht sich der Roboter selbständig zur nächsten Arbeitsposition auf um dort weiter zu arbeiten. Es sind also bis auf ein erstes Einmessen des Roboters und die Produktionsüberwachung keine menschlichen Tätigkeiten mehr notwendig. Mit Ausnahme der noch manuellen Nachjustierung der Steinpaletten bis zur oben genannten Weiterentwicklung.



Bestandteile des Roboters (ROC)

Der Manipulator

Unter dem Manipulator ist der Greifarm des Roboters zu verstehen, dieser arbeitet mit einem großen Arbeitsradius um die Positionsveränderung zu minimieren. Größere Segmente, die nicht von einer Position aus gemauert werden können, wurden in treppenförmiger Art und Weise realisiert. Der Roboter kann Wände mit einer Höhe von bis zu 4,50 m mauern. In einer Weiterentwicklung sollten Wandhöhen von bis zu 5,50 m realisiert werden können. Auf Grund der immer größer und schwerer werdenden Steine wurde mit einem Handhabungsgewicht von 350 kg gerechnet. Dabei fallen etwa 50 kg auf den Greifer und 300 kg aus den Stein (Gewichtsgröße z.B. bei Kalksandplansteinen). Die Hubkraft wurde mittels hydraulischer Antriebe realisiert.


Das Fahrwerk

Dient zur automatisch, autonomen Positionierung des Roboters am Arbeitsort. Dieses verfügt über eine eigenständige Navigation und ein Sensorsystem, welche die Steuerung des Fahrwerks übernehmen bzw. Korrekturwerte (Positionstoleranzen, Verdrehungen oder Seitenneigungen des Fahrwerks) an die fortschreitende Steuerungselektronik weitergeben. Der Antrieb selbst erfolgt über ein Vierradsytem mit großer Bodenfreiheit zur Überwindung von Hindernissen. Mit diesem System werden das Quer- und Schrägfahren, sowie das Wenden auf Stelle mittels eines Diagonalradantriebes ermöglicht.


Das Versetzungswerkzeug

Es besteht aus einer Positionierungseinheit, sowie dem eigentlichen Greifer. Bei der Versetzung ist die exakte Positionierung entscheidend. Die Kompensierung von Maßtoleranzen, welche nach Abzug aller Korrekturen aus dem Fahrwerk und dem Manipulator noch bestehen liegt bei bis zu 40 mm. Die Genaue Steinlage wird mittels eines eigenständigen Koordinatensystems in Verbindung mit Kraftmomentsensoren gewährleistet. Auf Grund von unterschiedlich verwendbaren Steinarten ist die Anpassung des Werkzeuges notwendig. Die erforderlichem Komponenten sind in Halterungen am Fahrwerk zu finden.



Mauerroboter BRONCO

(Bricklaying RObot for the ON the COnstruction site) [1993-1995]

Hierbei handelt es sich um ein Verbundforschungsprojekt des Zentrums für Fertigungstechnik Stuttgart und dem Institut für Steuerungstechnik der Universität Stuttgart mit Unterstützung von 16 Partnern aus der Industrie. Ziel bzw. der Arbeitsschwerpunkt des Forschungsprojektes lag in folgenden Punkten:


Mauerroboter BRONCO
  • Wirtschaftlichkeit der Mauerwerksfertigung mit dem mobilen Mauerroboter


  • Erhöhung der Fertigungsgenauigkeit mittels Sensorintegration


  • Klärung der notwendigen Maßnahmen für die Arbeitssicherheit


  • Konzipierung und exemplarische Entwicklung einer baustellengerechten Bedienung


  • Durchgängigkeit des Datenflusses vom CAD-Plan des Architekten über die Wandsegmentierung bis zum Roboterprogramm.


Mauerroboter BRONCO - Fertigungsumgebung im Baustellenprozess


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Fertigungsgenauigkeit und Sensortechnik (BRO)

Mittels eines Geschosskoordinatensystems, welches auf neuen Messstrategien und Algorithmen basiert, konnte eine genaue Positionsbestimmung des Roboters bzw. der genauen Versetzungsposition erzielt werden. Nach manueller Ausrichtung des Roboters wurde mit Hilfe des Systems die Positionstoleranz berechnet und vor Arbeitsbeginn als Korrekturwert in der Steuerungselektronik weiter verarbeitet. Zusätzliche Features des Mauerroboters waren zum einen "das planare Laserscanner-Reflektor-System CAPSY, zur ebenen Positionserfassung,"[1] sowie Abstands- und Neigungswinkelsensoren zur Neigungswinkelkorrektur und der realtiven Positionsbestimmung des Greifers. Zu dem wurde zur Mörtelfüllstandskontrolle eine Messwaage verwandt.



Baustellengerechte Bedienung (BRO)

Ziel war es ein System zu entwickeln, dass einerseits den notwendigen Handlungsspielraum zulässt, jedoch auf der anderen Seite das Bedienpersonal nicht überfordert um Bedienungsfehler zu minimieren und die komplexen Arbeitsprozesse des Systems für den Maschinenführer zu verdeutlichen. Mittels eines neu entwickeltem graphisch-interaktiven Bediensystems auf der Basis von Windows 95, sowie einer DDE-TCP/IP-Verbindung zur Robotersteuerung, wurde dies ermöglicht. Das Resultat bestand aus einer (für Statusinformationen) Kontext bezogenen Anzeige und einer graphischen Darstellung der Planungs- und Istdaten. Somit konnte sich der Maschinenführer stetig über den Fertigungsfortschritt und deren Abweichungen informieren. Ein schnellst mögliches Eingreifen bei Fehlverhalten des Systems wurde somit möglich. Mittels dieser Software bieten sich für das Bedienpersonal folgende Handlungs- bzw. Beeinflussungsmöglichkeiten:


  • Bewegen des Roboters zum Arbeitsplatzwechsel


  • Starten und Beenden des Fertigungsprozesses


  • Kontrolle und Überwachung des Arbeitsfortschritts


  • Beeinflussung und Abbruch bei Störverhalten oder Fehlproduktionen


  • Betriebsstopp im Bezug auf die Arbeitssicherheit und Gefährdungspunkte



Allgemeine Fakten (BRO)
  • Traglast bis zu 50 kg


  • Verwendung unterschiedlichster Steintypen möglich


  • Durchmesser des Arbeitsraum von ca. 2,00m


  • Eigengewicht 1,5 Tonnen


  • dreifach knickbarer Knickarm


  • Vakuumgreifer


  • Fortbewegung über Raupenfahrwerk



Gefährundungsanalyse und Arbeitssicherheit (BRO)

Im Zuge der Forschungsarbeit wurde jeder Arbeitsschritt des Mauerroboters analysiert. Das voraussichtliche Schadenspotential und die Gefährundungsanalyse wurden im Anschluss mit der Bauberufsgenossenschaft mittels einer ersten Risikoabschätzung besprochen und der Roboter und seinen Arbeitsvorgängen mit einer ersten Sicherheitseinstufung versehen. Durch die Entwicklung eines Laserscannsystems konnten die Sicherheitsstandards im Betrieb deutlich minimiert werden.



Datentransfer zwischen Planung und Ausführung / Robotersteuerung (BRO)

Die Robotersteuerung und das Wandplanungssystem wurden mittels einer Datenschnittstelle gekoppelt. Der Datentransfer lief über eine Schnittstellenkarte über die alle notwendigen Planungsdaten an den Roboter übermittelt wurden. Die Umwandlung der Planungsdaten in Steuerungsbefehle wurde erst im Roboter verwirklicht. Dies bot den Vorteil, dass auf steuerungsinterne Maschinendaten bzw. Funktionen noch vor Ort genommen werden kann. So können z.B. Achsbegrenzungen oder ähnliche Grunddaten noch vor Ort verändert bzw. angeglichen werden. Zudem wurde durch diese Systematik die Grundlage für die manuelle Steuerung bzw. die Visualisierung von Plan- und Istdaten erst möglich. Somit können durch die Echtzeitberechnung auch noch spät anfallende Planungsänderungen in den Bauprozess mit eingebunden werden und eine manuelle Bedienung der Maschine wurde dadurch ermöglich. Die Vorteile dieser Bedienungsform wirken sich außerdem positiv auf die Steuerung zur Bewegung des Roboters zwischen unterschiedlichen Arbeitspositionen aus und geben zudem immer einen aktuellen Überblick über den momentanen Fertigungsfortschritt und die voraussichtlich noch benötigte Arbeitszeit.



Die 4 Phasen im Fertigungsprozess des Robotersteuerung (BRO)

Nach der groben Ausrichtung des Roboters am Arbeitsort und dem Abgleich der Positionsverschiebung im Bezug zur Berechnungsposition beginnt der Knickarmroboter mit seiner Arbeit. Im ersten Schritt der Entpalettierung, nimmt der Roboter mittels eines am Knickarm befestigten Vakuumgreifers die Steine von der Palette und setzt sie auf eine am Roboter montierte Mörtel- und Zentriereinheit. Im nächsten Schritt wird der Stein so ausgerichtet, dass der Greifer Ihn mit einer genauen Positionsbestimmung für das Geschosskoordinatensystem aufnehmen kann, um anschließend den Stein in ein Mörtelbett zu tauchen von wo aus er mittels einer Dreh- und Schwenkbewegung den Stein an seine endgültige Position befördert und absetzt. Der Ablauf wiederholt sich dann so lange, bis das Endprodukt fertig gestellt wurde, bzw. ein technisch bedingter Arbeitsplatzwechsel notwendig ist.



Mauerroboter BRONCO in der Baustellenerprobung (BRO)


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Praxiserfahrung (BRO)

Der Mauerwerksroboter BRONCO, wurde während der Forschungs- und Entwicklungsarbeit in einigen Kleinprojekten getestet. Leider konnte auch nach der Vorstellung und dem regen Interesse des Publikums auf der BAUMA '98 in München kein Industriepartner zur Realisierung in der Praxis gefunden werden, obwohl das System die Marktreife schon im Prototypenstatus bis auf ein hohes Niveau bewiesen hatte und auch aus wirtschaftlicher Sicht das Projekt realisierbar gewesen wäre. Deshalb blieb es bei folgenden Kleinprojekten:


  • Bau einer Garage


  • unzählige Tests in der Entwicklungshalle


  • Einsatz unter Baustellen ähnlichen Bedningungen im Ausbildungszentrum Geradstetten



Mauerroboter MERLIN

Mit der Realisierung eines Mauerwerksroboter beschäftigten sich Ralph Pinkhaus und sein Vater vor etwa 10 Jahren, Sie gründeten eigens zur Vermarktung die EROPA GmbH. Leitmotiv war die Umsetzung von konventionellem Mauerbau unter autonomer Produktion mittels eines Roboters. Aus Kostengründen bzw. dem für Firmen zu hohen Risikofaktor blieb das Projekt im Primärstadium stecken. Bis zu diesem Stadium wurde nur Prototyp realisiert, der alle wesentlichen Arbeitsschritte durchführen konnte. Der einzige Unterschied war, das es sich hierbei nicht um das Versetzen von Steinen, sondern um das Mauern von Styroporblöcken die mit Tapetenkleister handelte. Die Datenübertragung zwischen Produktionseinheit und Planungssoftware wurde per seriellem Interface von einem Standard PC als serielles Backup an den Robter übertragen. Das heißt, dass am Computer die Roboterwege auf Basis der Planungsdaten berechnet wurden und in Befehlssprache mittels eines Datenträgers an den Roboter übergeben wurden. Die Gesamte Berechnung und Optimierung der Fertigungsprozesse wurde mit den erforderlichen DWG-Daten am Computer vorgenommen.



Visualisierungen zum Mauerroboter Merlin



Sonstige Herstellungsverfahren


FAMOS BRICK

[1990-1994]

Hierbei handelt es sich um ein Forschungsprojekt, welches im Zuge der europäischen EUREKA-Förderung mit 3,7 millionen Euro unterstützt wurde. Leider liegen zu diesem Projekt keine weiteren Angaben vor. Grunddaten des Projektes sind unter foglendem Link zu finden: http://www.eureka.be/inaction/AcShowProject.do?id=377



BRICKBUILD

[1990-1996]

Hierbei handelt es sich um ein Forschungsprojekt, welches im Zuge der europäischen EUREKA-Förderung mit 2,1 millionen Euro unterstützt wurde. Leider liegen zu diesem Projekt keine weiteren Angaben vor. Grunddaten des Projektes sind unter foglendem Link zu finden: http://www.eureka.be/inaction/AcShowProject.do?id=542



Beispiele aus der Praxis

Weingut in Fläsch

Vorsatzschale aus verdrehten Backsteinen: Erweiterung eines Weingutes von Bearth & Deplazes Architekten AG [2006]

Das gewünschte Bild eines Korbes voller Weintrauben auf der Fassade wurde durch vorgesetzte Elemente aus verdrehten Ziegeln realisiert. Wie auf den Fotos deutlich erkennbar, ist durch das Spiel aus Licht und Schatten das applizierte Bild auf die Fassade übertragen worden. Weitere Infos zu dem Projekt sind auf der externen Wiki-Seite des Weingut in Fläsch zu finden.


Bilder des Weingut in Fläsch


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Structural Oscillations

Raumgestaltung: des Schweizer Pavillons auf der Biennale in Venedig durch die ETH Zürich (2008))

Das Projekt bestehend aus ca. 100m langen zweisinnig gekrümmten Backsteinwänden wurde Realisiert mittels der Mobilen Produktionseinheit R-O-B. Die Elemente wurden in ca. 4m langen Teilsequenzen vor Ort produziert und mittels eines Gabelstaplers an die richtige Position im Austellungspavillon gebracht. Das Wandelement bildet eine Schlaufe, die sich kontinuierlich durch den gesamten Innenraum zieht und diesem die notwendige Gliederung für die Ausstellungsflächen bot. Ausgehend von der Grundlinie wurde diese dreidimensional, plastisch Verformt um der Wand bzw. dem Raum mehr Ausdruck zu verleihen. Aber auch zur Realisierung der Standsicherheit und der Stabilität. So wurden unteren Wölbungen weiter aufgezogen um eine breitere Grundfläche vorzuweisen und im oberen Abschluss versucht die Elemente ungefähr im Mittel des Schwerpunktes enden zu lassen.


Bilder der freistehenden Wandelemente



Domoterra Messestand

Studentenentwürfe der ETH Zürich: für die Domoterra Swissbau-Lounge auf der Baumesse in Basel [2007]

Am Institut für Digitale Fabrikation der ETH Zürich unter der Leitung von Prof. Gramazio und Prof. Kohler entwickelten die Studenten in einer einwöchigen Seminarwoche frei stehende Mauerwerkswände für einen Messestand. Die Wände sollten einen Loungebereich unter Ausschluss des hektischen Messegeschehens erzeugen. Die mit der Roboter gesteuerten Fertigung produzierten Wände mussten neben den Aspekten der neuen und innovativen Bautechnologien auch deren Realisierbarkeit im Bezug auf Fabrikation, Transport, Sicherheit und vor allem das freie stehen der Elemente ohne weiter Abstützung ermöglichen.


Bilder der Domoterra Swissbau Lounge



Wettbewerb - Pavillon der Gallery Seroussi

Wettbewerb: Pavillon Seroussi der Architekten Garmazio & Kohler [2007]

Der eingeschossige Wohn- und Ausstellungspavillon für eine Galeristin schmiegt sich in die Parklandschaft, neben einem skulpturalen Werk von André Bloc. Hinter der völlig in Glas aufgelösten Fassade zeigen sich geschwungene Backsteinwände, auf denen das Betondach zu hängen scheint. Denn die Dachlandschaft ist durch Gravitationskräfte moduliert und von einer Schar Oberlichtern perforiert. Die am Computer programmierten Backsteinverbände werden erstmals als tragende Wände eingesetzt.


Das Projekt wurde nicht realisiert. Der Wettbewerb wurde von einem anderen Büro gewonnen.


Visualisierungen des Pavillons Seroussi



Wettbewerb - Parkhaus Jahrhunderhalle Bochum 2009

Wettbewerb: Parkhaus Jahrhunderhalle Bochum 2009 der Architekten Garmazio & Kohler [2007]

Stahlskelettparkhaus mit einer Klinkerfassade in Form einer künstlichen Topographie. Eine genauere Projektbeschreibung ist auf der zugehörigen Seite des Büros Gramazio & Kohler zu finden (Jahrhunderhalle Bochum )

Visualisierungen des Pavillons Seroussi



Studentenentwürfe

Im Rahmen des Wahlmoduls Digitale Fabrikation an der ETH Zürich haben Studenten unter der Leitung von Prof. Gramazio und Prof. Kohler für die Roboter gesteuerten Fertigung mittels ihres eigenen Industrieroboters einige Realisierungsvorschläge ausgearbeitet. Diese zeigen die prinzipiellen Möglichkeiten des Systems für die Zukunft auf.

Die vollständige Übersicht der Studentenentwürfe ist auf den Seiten 60-104 zu finden.

Visualisierungen der Studentenentwürfe



Einzelnachweise


Quellen

Literatur

  • Willi Bender_Zukunftssicherung für Ziegel, Fertigungseinrichtungen für Ziegelelemente [2001]
  • Pfeiffer,Ramcke,Achtziger,Zilch_Mauerwerks Atlas_Brikhäuser [2001]
  • Dipl.-Ing. Heinz-Werner Jedamzik_Ziegelmontagebau, Vorgefertigte Wandsysteme nach neuer Norm [2003]
  • Bauzeitschrift DETAIL, S. 1464-1468 [2007/12]
  • Garmazio & Kohler_Digital materiality in architecture [2008]
  • Schweizerische Zeitschrift für Fenster- und Fassadenbau FASSADE, S.7-9 [2007/03]
  • Bretthauser,Dietze,Häfele,Isele,Jäkel_Nachhaltiges Planen, Bauen und Wohnen im Informationszeitalter_Forschungszentrum Karlsruhe GmbH [2008]
  • Wengerter_Rationalisierungsmöglichkeiten im Mauerwerksbau durch eine robotergestütze Wandvorfertigungsanalage. Dissertation. TU Darmstadt, Fachbereich Bauingenieurwesen [1999]
  • Martina Klauser_ Brick Award 2008; die beste Ziegelarchitektur [2008]
  • Dr. Ing. P. Schubert, Prof. Dipl.-Ing. K.-J. Schneider, Dipl.-Ing. T. Schoch_ Mauerwerksbau - Praxis _Bauwerks-Basis-Bibliothek [2007] ISBN 978-3-934369-38-2
  • DIN 1053-4 Mauerwerk - Teil 4: Fertigbauteile
  • Martin Homann, Proenbeton Handbuch, Bauverlag-Gütersloh [2008] ISBN 13 978-3-7625-3626-0

Weblinks

  • http://www.lingl.com [NOV_2008] - Herstellung von Fabrikationsanlagen für Fertigelemente aus Mauerwerk
  • http://rimatem.com [DEZ_2008]- Herstellung von Fabrikationsanlagen für Fertigelemente aus Mauerwerk (Marktführer)

Modul_M

... bearbeitet im Laufe des Seminars 08ws Hochbau2 UE Bablick von Sören-T. Koeplin

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