Holz-Bauteile automatisiert zusammensetzen, verkleben und fräsen

Kuka-Roboter bauen Buga-Pavillons aus Holz

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Für vom Seeigel-inspirierte Bundesgartenschau-Pavillons fertigen zwei Kuka-Roboter vom Typ KR 500 Fortec innovative Holzteile in Leichtbauweise.

Auf der Bundesgartenschau (Buga) 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 der Universität Stuttgart (ICD) entworfen. „Ein Schwerpunkt unserer Arbeit liegt im Bereich der biomimetischen Forschung“, erklärt Professor Achim Menges, Leiter des ICD.

Auch die innovative Schalenkonstruktion des Holzpavillons ist der Natur 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.

So kann 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 Hans Jakob Wagner, wissenschaftlicher Mitarbeiter und Doktorand am ICD. Ohne die automatisierte Lösung, die in Zusammenarbeit mit dem Pfullinger Anlagenbauer BEC GmbH entstand, wäre das Projekt aufgrund des immensen Arbeitsaufwands nicht denkbar gewesen. „Die Produktion der Bauteile ist komplex, aufwendig und individuell, sodass sie sich nur mithilfe von Robotern realisieren lässt“, so Wagner:

Zwei Fortecs im Einsatz

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. „Die Informationen zu den einzelnen Bauteilen werden direkt in der Konstruktionssoftware generiert und an den Roboter übertragen“, erklärt Matthias Buck, Geschäftsführer der BEC.

Zunächst greift der erste KR 500 FORTEC nach einer Furnierholzplatte und positioniert sie auf dem Zwei-Achs-Positionierer DKP-400. Auf dem Dreh-Kipp-Positionierer wird die Platte mittels Vakuumspanntechnik befestigt. Während nun der zweite Fortec-Roboter 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 von Robotern im Holzbau

„Das Kleben und Fräsen der Kassetten ist in roboterbasierter Fertigung wesentlich einfacher“, nennt 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 Buck hervor.

Für die weitere Verwendung der Anlage sieht Buck großes Potenzial: „Das System kann 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.

Kuka AG

www.kuka.com

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