Gesponsert

Schnellwechselsysteme Unterwegs mit der mobilen Zukunftsplattform für das Bauwesen

Gesponsert von

In einer roboterbasierten Forschungsanlage der Universität Stuttgart unterstützen robuste Roboter-Schnellwechselsysteme SWS-L von Schunk die Digitalisierung von Fertigungsprozessen im Bauwesen. Das mobile Konzept der Anlage wird Handwerks- und Baubetriebe nachhaltig umgestalten.

Herzstück der Anlage ist das Schnellwechselsystem SWS-L von Schunk, mit dem der Roboter jegliche Endeffektoren automatisch aufnehmen und ablegen kann, hier der pneumatische Schnellwechseladapter SWA.
Herzstück der Anlage ist das Schnellwechselsystem SWS-L von Schunk, mit dem der Roboter jegliche Endeffektoren automatisch aufnehmen und ablegen kann, hier der pneumatische Schnellwechseladapter SWA.
(Bild: SCHUNK )

Architektur und Bauwesen sind die Gestalter jeglichen Lebensraums. Der Mensch verbringt 87 Prozent seines Lebens in Gebäuden, deshalb sind sie in ihrer Beschaffenheit von zentraler ökologischer, ökonomischer, sozialer und kultureller Bedeutung für die Menschen. Bis 2050 werden neue Wohnräume, Arbeitsplätze und Infrastruktur für 2,6 Milliarden Menschen benötigt, getrieben durch das Bevölkerungswachstum und die schnell fortschreitende Urbanisierung. Allein in Deutschland sollen jedes Jahr 400.000 neue Wohneinheiten und dazugehörige Gewerbe- und öffentliche Gebäude errichtet werden, aber nur die Hälfte dieses Bedarfs lässt sich derzeit decken.

Die Bauwirtschaft sucht nach neuen Lösungen

Zugleich sieht sich der Bausektor selbst gravierenden Herausforderungen gegenübergestellt: Seine Produktivität stagniert seit Jahren, der Verbrauch von Ressourcen und Energie im Bauwesen ist erheblich, das Abfallaufkommen ist beträchtlich, und die Kosten für Material und Rohstoffe steigen rasant. Vielen Bauunternehmen ist es nur schwer – oder gar nicht – möglich, Projekte zeit- und budgetgerecht fertigzustellen.

Die Bauwirtschaft sucht daher neue Lösungen; sie ist weltweit die größte Branche, hat erhebliches Wachstumspotenzial und muss sich dringend für die Zukunft rüsten: vor allem durch den vermehrten Einsatz digitaler Technologien und durch Automatisierung. Schunk gestaltet diesen Prozess aktiv mit – unter anderem durch Roboter-Schnellwechselsysteme.

Bildergalerie
Bildergalerie mit 12 Bildern

Digitale Fabrikationsmedien werden Entwurfsparameter im Bauwesen

2019 richtete die Universität Stuttgart einen neuen Exzellenzcluster Integrative Computational Design and Construction for Architecture (IntCDC) ein. Die Vision dieses von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projekts ist es, das Potenzial digitaler Technologien für Design, Fertigung und Konstruktion im Bauwesen zu nutzen. Die Interdisziplinarität aus Architektur, Bauingenieurwesen, Bauphysik, Ingenieurgeodäsie, Fertigungs- und Systemtechnik, Computer- und Automatisierungstechnik soll neue Ansätze hervorbringen.

„Ziel des Clusters ist es, mit digitalen Technologien methodische Grundlagen für ein Umdenken des Entwurfs- und Bauprozesses zu schaffen, welche im urbanen, sich verdichtenden Raum lebenswerten und bezahlbaren Wohnraum schaffen. Im Fokus der hier eingesetzten Roboteranlagen stehen die Vorfabrikation weitgespannter Faserverbundgroßbauteile und mehrstöckiger Gebäude aus Holz“, erläutert Dr. Felix Amtsberg, Koordinator der Holzplattform am IntCDC an der Uni Stuttgart. „Unser Ansatz ist es, digitale Fabrikationsmedien, etwa CNC-Maschinen und die Robotik, als kreative Entwurfswerkzeuge mitzunutzen. Wir binden sie als Parameter für den architektonischen Entwurf gleich von Anfang an ein“, so Amtsberg. Als gelernter Tischler und studierter Architekt bringt er Aspekte des praktischen Handwerks mit den Randbedingungen aus Design, Technik und Forschung ideal zusammen.

Flexible Fertigungslösungen am Bau

Gemeinsam mit dem Systemintegrator BEC entstand jüngst eine mobile, roboterbasierte Produktionsplattform, die Bauteile aus Holz bedarfsgerecht handhabt, bearbeitet und montiert. „Wir dürfen die Ideen, die die Wissenschaft hat, in konkrete Anlagen umsetzen“, erklärt BEC-Geschäftsführer Matthias Buck. „Hierzu bedienen wir uns geeigneter technischer Komponenten und Module, die alle Anforderungen in alle Richtungen erfüllen – sie müssen zuverlässig, flexibel und zukunftsfähig sein.“ So entstand als Kern des Forschungspakets eine Roboteranlage, die in toto als mobile Fabrik an einen Holzbaubetrieb, in eine Werkstatt oder an eine Baustelle geschickt wird. „Dort kann die Anlage je nach Bedarf und Anforderungen Handwerksarbeiten unterstützen – zum Beispiel größere Holzteile vor Ort zerspanen, montieren, leimbinden, kleben oder nageln“, sagt Matthias Buck.

„Herzstück der Anlage ist das Schunk-Schnellwechselsystem SWS-L, mit dem der Roboter jegliche Endeffektoren automatisch aufnehmen und ablegen kann, zum Beispiel Greifer, Sägen oder Fräskopfe. „Wir haben auf diese Schunk-Komponenten gesetzt, weil wir die Bus-Technologie, die im Wechselsystem selbst vorhanden ist, nutzen wollen, um die Verkabelung auf ein Minimum zu reduzieren“, so Buck.

Ergänzendes zum Thema
Spezialist für mobile Plattformen

Die BEC GmbH aus Pfullingen ist Spezialist für Lösungen mit Mensch-Roboter-Kooperation (MRK) in den Bereichen Industrie, Medizintechnik und Entertainment. Die Bandbreite der von BEC eingesetzten Plattformen ermöglicht es, für jeden Mobilitätsanspruch ein passendes System zur Verfügung zu stellen – von autonomen Plattformen zum Transport schwerer Lasten über selbstfahrende Robotersysteme bis hin zu kostengünstigen und flexibel einsetzbaren MRK-Lösungen.

Die roboterbasierte Fertigung von Bauteilen in Holzleichtbauweise ermöglicht eine hohe Flexibilität und bisher nicht gekannte Ansätze in der modernen, nachhaltigen Architektur. Ein Beispiel: der BUGA-Holzpavillon 2019, der einen neuen Ansatz des digitalen Holzbaus markierte. Seine segmentierte Holzschale basiert auf biologischen Prinzipien des Plattenskeletts von Seeigeln, die vom Institut für Computergestütztes Entwerfen und Bauen (ICD) und dem Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen (ITKE) der Uni Stuttgart untersucht worden waren. Als Teil des Projekts entstand eine Roboter-Fertigungsplattform für die automatisierte Montage und das Fräsen der 376 maßgeschneiderten Hohlholzsegmente.

Leistungsfähigkeit, Flexibilität und Zukunftsfähigkeit im Fokus

Die Ingenieure von BEC haben alle Module maximal ausgelegt, um die Forschung und die Weiterentwicklung des Projekts nicht zu begrenzen. Vielmehr soll die Anlage alle Optionen offenhalten für maximale Zukunftsfähigkeit. „Hier ist nichts auf Kante genäht“, sagt Buck. „Wir wollen mit der Anlage zunächst solide und zuverlässig das aktuelle Projekt umsetzen und auch künftige, neue Projekte realisieren.“

Der Roboter, ein Kuka KR420/R3330 mit 420 kg Traglast, verfährt auf einer BEC-Linearachse, der siebten Roboterachse, die fest in die Containerplattform integriert ist. Das Wechselsystem SWS-L von Schunk, das bis zu 1.300 kg aufnehmen kann, ist die robuste Schnittstelle zum Werkzeug. Auf die Leistungsfähigkeit der SWS-L kommt es vor allem bei Fräsarbeiten an, bei denen große Kräfte wirken.

„Konkret haben wir am Wechselsystem eine Frässpindel und mehrere Flächengreifer mit einem Vakuumsystem im Einsatz, die größere Holzbauteile handhaben und zuführen“, sagt Dr. Felix Amtsberg. „Es können aber auch andere Arbeitsprozesse eingebunden werden, denn die Werkzeuge sind über den Adapter beliebig austauschbar.“

Und es muss nicht Holz sein – die Anlage ist auch in anderen Gewerken einsetzbar. Das ganze System ist auf Adaptivität und Flexibilität ausgelegt – sowohl hinsichtlich des Materials, der Bearbeitung sowie des Ortes. Und ausbaubar: So kann zum Beispiel künftig ein integriertes Visionsystem durch Umgebungs- und Endeffektorinspektion für Kollisionsfreiheit und Qualitätssicherung sorgen.

Ergänzendes zum Thema
Die Schnellwechselsysteme SWS und SWS-L

Für den automatischen Wechsel des Endeffektors am Roboter, zum Beispiel Greifer, Paletten, Saugspinnen, pneumatische oder elektrisch angetriebene Werkzeuge oder Schweißzangen, stellt Schunk pneumatisch betätigte Schnellwechselsysteme SWS beziehungsweise SWS-L als Schwerlastausführung zur Verfügung. Die komplette Baureihe mit 20 Baugrößen für Traglasten von einem bis 1.350 kg deckt ein breites Anwendungsspektrum ab.

Das Schnellwechselsystem (SWS) besteht aus einem Schnellwechselkopf (SWK) und einem Schnellwechseladapter (SWA). Der am Roboter montierte SWK koppelt den am Werkzeug montierte SWA. Ein pneumatisch angetriebener Verriegelungskolben sorgt mit seinem patentierten Design für eine sichere Verbindung. Eine manuelle Notentriegelung ist möglich, da intern im Kolbenraum keine Federn verbaut sind. Alle Funktionsteile sind aus gehärtetem Stahl gefertigt. Im Gehäuse integrierte pneumatische Durchführungen ermöglichen eine sichere Energie- und Medienversorgung. Die „No-Touch-Locking-Funktion“ gewährleistet einen zuverlässigen Wechsel, auch wenn SWK und SWA sich nicht berühren, bis zu einem axialen Versatz von 3 mm. Durch die hohe Wiederholgenauigkeit von 0,015 mm sind Präzision und Zuverlässigkeit sichergestellt.

Für vielfältige Energie-Übertragungsmöglichkeiten bietet Schunk ein breites Sortiment an Elektro-, Pneumatik- und Fluidmodulen. Eine Kodierung der Adapter ist über eine Steckverbindung möglich. Ein ISO-Flanschbild sorgt für die einfache Montage an die meisten Robotertypen ohne zusätzliche Adapterplatten.

Mobile Containerplattform ist Basis der Fabrik der Zukunft

Durch die Modularisierung der Anlage ist sie an jedem Ort einsetzbar, wo sie gebraucht wird – ohne sie demontieren zu müssen. Die Containerlösung lässt sich skalieren und zu Linien zusammenfassen je nach Anforderung des Bauprojekts und des konkreten Gewerks. So kann die Anlage auch Teil einer Produktionskette werden. „Wir streben eine intelligente Zusammenarbeit der Robotik mit dem Werker im Handwerks- oder Baubetrieb an, um flexibler agieren zu können, als es bei einer vollständigen Automatisierung der Fall wäre“, so Amtsberg.

„Eines unserer nächsten Vorhaben ist es, dass der Roboter mit mehreren Teilnehmern im Baubetrieb zusammenarbeitet. Flexible Produktionsabläufe sollen mit technologischer Unterstützung für den Handwerker selbst koordinierbar sein, unter anderem auch mit Augmented Reality. Wir können uns gut vorstellen, dass die Anwendung von Digitalisierung und Automatisierung in der Werkstatt die Handwerksberufe für junge Leute wieder attraktiver macht“, hofft Amtsberg.

Ergänzendes zum Thema
Spitzenforschung im Bauwesen

Das Exzellenzcluster Integrative Computational Design and Construction for Architecture (IntCDC) wurde 2019 an der Universität Stuttgart und dem Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme gegründet. Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) beherbergt es ein interdisziplinäres Team von ca. 120 Forschern aus den Bereichen Architektur, Bauingenieurwesen, Fertigungs- und Systemtechnik, Informatik und Robotik, Sozial- und Geisteswissenschaften.

Mit der zentralen Methode des Co-Designs nutzt das Cluster das volle Potenzial digitaler Technologien, um Planung, Fertigung und Konstruktion neu zu denken und die vielschichtigen ökologischen, ökonomischen und soziokulturellen Herausforderungen zu bewältigen, denen sich die globale gebaute Umwelt gegenübersieht. Basierend auf Integration und Interdisziplinarität ist das Ziel, einen Beitrag zu einer zukunftsfähigen und nachhaltigen gebauten Umwelt, qualitativ hochwertiger und dennoch bezahlbarer Architektur sowie zu einer neuartigen digitalen Bau- und Materialkultur zu leisten. Zur Erfüllung des Forschungsauftrags hat IntCDC ein internationales Netzwerk aus renommierten akademischen und industriellen Partnern in Deutschland, der EU und im Ausland etabliert.

Gefragte Expertise des Automatisierungsexperten Schunk

Die methodischen und interdisziplinären Erkenntnisse des Clusters sollen dazu führen, digitale Technologien umfassender zu nutzen und die Herausforderungen im Handwerk und Bauwesen zu bewältigen. Beispielsweise kann sich während der Planung bereits die Fertigbarkeit der Komponenten sichtbar machen lassen. Materialbezogene Roboterbauprozesse können neue Formen der Mensch-Maschine-Kollaboration maßgeblich prägen.

„Hier ist für uns die Expertise von Schunk, was Automatisierung, Robotik und Handhabung angeht, sehr wichtig“, bekräftigt Matthias Buck. Und weiter: „Schnellwechselsysteme und andere Komponenten von Schunk haben wir dank ihrer Flexibilität bei diversen Projekten im Einsatz. Die technologische Verbindung zwischen Uni Stuttgart, BEC und Schunk existierte schon eine ganze Weile. Wie sind sehr zufrieden.“

Einsatz in der realen Fertigung

Nun wird die mobile Bearbeitungsplattform als Forschungsanlage zum Holzbauer gebracht und dort in der realen Fertigung eingesetzt. IntCDC installiert und betreut die Anlage weiter. Über die Zeit werden sich unterschiedliche Nutzungsvarianten für den Handwerksbetrieb ergeben – er kann die Anlage kaufen oder mieten und sie der konkret anstehenden Materialbearbeitung in der Vorproduktion anpassen.

(ID:48446326)

Jetzt Newsletter abonnieren

Verpassen Sie nicht unsere besten Inhalte

Mit Klick auf „Newsletter abonnieren“ erkläre ich mich mit der Verarbeitung und Nutzung meiner Daten gemäß Einwilligungserklärung (bitte aufklappen für Details) einverstanden und akzeptiere die Nutzungsbedingungen. Weitere Informationen finde ich in unserer Datenschutzerklärung.

Aufklappen für Details zu Ihrer Einwilligung