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Robotergestützte Assemblierung komplexer Holztragwerke

 

Roboter ermöglichen es aus verfügbaren minderwertigen Hölzern komplexe Holztragwerke präzise und ressourcen-schonend herzustellen. Dieses Projekt untersucht anhand mehrerer 1:1-Prototypen, wie sich digitale Entwurfs- und Fabrikationsprozesse auf den konstruktiven Holzbau der Zukunft auswirken.

Projektbeschrieb (abgeschlossenes Forschungsprojekt)

Das Projekt liefert grundlegende Daten für den computergestützten Entwurf und die robotergestützte Fertigung komplexer Holztragwerke. Diese Grundlagen sind für die ganze Holzbranche wesentlich, da sich damit neue Umsetzungsmöglichkeiten eröffnen. Ferner kann die innovative Anwendung und Verknüpfung verschiedener digitaler und rechnergestützter Werkzeuge als Wegweiser für die Entwicklung der digitalen Fabrikation im Bauwesen allgemein dienen.

Hintergrund

Angesichts der weltweiten Verknappung von Ressourcen wird deren effizientere Nutzung immer wichtiger. Eine Möglichkeit bietet die robotergestützte Fertigung komplexer Holztragwerke. Diese Methode erlaubt, geometrisch unterschiedliche Tragwerksformen präzis und effizient herzustellen. So lässt sich die Herstellung komplexer Holzbauteile nachhaltig gestalten.

Ziel

Im Vordergrund stand die Entwicklung neuartiger Konstruktionsstrategien in Kombination mit geeigneten Verbindungsmethoden für den computergestützten Entwurf und die robotergestützte Fertigung komplexer Holztragwerke. Man verwendete dafür einfache und kleine Elemente aus Konstruktionsvollholz. Diese stehen in grosser Menge zur Verfügung und lassen sich mit Hilfe von Industrierobotern effizient und präzise zu räumlich-komplexen Tragwerkstrukturen fügen.

Bedeutung/Anwendung

Die Bedeutung des Forschungsprojekts liegt vor allem in seiner Nähe zur Praxis. Die Forschenden setzten eine industrielle (angewandte) Fertigungs- und Verfahrenstechnik ein und erhoben neue mess- und überprüfbare Daten, die für das verarbeitende Holzgewerbe wesentlich sind.

Ergebnisse

Auf der Grundlage eines Kriterienkataloges entwickelten die Forschenden ein digitales Entwurfs- und Fabrikationsverfahren. Dieses diente der Erforschung neuartiger Konstruktionstechniken. Darauf aufbauend wurden die gewonnenen Resultate zum Bau mehrerer 1:1-Prototypen als Demonstrator übertragen. Diese lieferten die analytische Grundlage, um neue, roboterbasierte Fabrikationsprozesse genau zu charakterisieren und in der Industrie effizient umzusetzen.

Eine zentrale Erkenntnis ist, dass sich für sequentielle, robotische Aufbauprozesse von Tragwerkstrukturen aus kleinteiligen Grundelementen insbesondere geometrisch einfache Stossverbindungen eignen. Hierzu wurde eine neuartige Verklebungstechnologie für Stumpf-Stossverbindungen entwickelt. Diese kann nicht nur weitgehend automatisiert werden, sondern erlaubt eine höhere geometrische Variation der Verbindung selbst. Um die Tragfähigkeit der verklebten Verbindung zu erhöhen, können die Verbindungsflächen mechanisch behandelt werden, z. B. durch kegelförmige Einfräsungen.

Auf dieser Verbindungstechnik basierend wurden entsprechende Tragwerkstypologien und –ansätze entwickelt. Um solche Strukturen erforschen und entwerfen zu können, wurden entsprechende computergestützte Modellierungsmethoden und –werkzeuge entwickelt. In einem nahtlosen, digitalen Workflow wurde zudem auch die Auswertung der Tragfähigkeit in die Entwurfsumgebung integriert. Der damit verbundene additive Fabrikationsprozess, der massgeblich auf die Genauigkeit der Element-Positionierung und der jeweiligen Elementgeometrie angewiesen ist, wurde im Projekt durch ein spezielles Scanverfahren erweitert: Die einzelnen Holzelemente werden vorgängig vermessen, um die notwendige bauliche Präzision zu erreichen.

Originaltitel

Robot-assisted assembly of complex timber structures

Projektleitung

  • Prof. Matthias Kohler, Professur Gramazio & Kohler, Architektur und Digitale Fabrikation, Eidgenössische Technische Hochschule Zürich
  • Prof. Fabio Gramazio, Professur Gramazio & Kohler, Architektur und Digitale Fabrikation, Eidgenössische Technische Hochschule Zürich
  • Prof. Eduard Bachmann, Architektur, Holz und Bau, Berner Fachhochschule, Biel
  • Prof. Christophe Sigrist, Architektur, Holz und Bau, Berner Fachhochschule, Biel

 

 

Weitere Informationen zu diesem Inhalt

 Kontakt

Prof. Matthias Kohler Gramazio Kohler Research
Architektur und Digitale Fabrikation
ETH Zürich
Stefano-Franscini-Platz 1 8093 Zürich +41 44 633 49 06 kohler@arch.ethz.ch