Robotergestützte Assemblierung komplexer Holztragwerke

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.

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.

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.

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.

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.

Robot-assisted assembly of complex timber structures