Energieeffiziente automatisierbare Fertigungstechnolo­gie energieeffizienter modularer nachhaltiger Leichtbaugebäude

Teilprojekt: Flexible und adaptive Fertigung und Montage von Modulen für Leichtbaugebäude auf Basis funktionsorientierter Programmierung 

Motivation

Um die angestrebten Ziele eines klimaneutralen Gebäudebestands in Deutschland zu erreichen, wird gemäß dem Positionspapier des größten deutschen Leichtbaunetzwerks die Leichtbautechnologie als Schlüsseltechnologie eingesetzt, um hohe wirtschaftliche Potenziale mit Ressourcenschonung sowie Material- und Energieeffizienz zu verbinden.

Derzeit werden nach Angaben der NRW Bank ca. 85 % der Wohngebäude in Massivbauweise errichtet, wobei Mischformen aus Massiv- und Leichtbau immer häufiger werden. Durch die Anwendung der Leichtbauweise in Form der Containerbauweise können gegenüber der konventionellen Massivbauweise folgende Vorteile realisiert werden:

• 20 bis 30 % niedrigere Gesamtkosten
• hoher Vorfertigungsgrad und damit einhergehende kurze Montagezeiten
• nachhaltig und ressourcenschonend durch Leichtbau und den Einsatz recycelter und recyclebarer Materialien
• Verwendung baubiologisch unbedenklicher Materialien
• anspruchsvolle architektonische Gestaltung
• Schadensunanfälligkeit für Baumängel (keine Baufeuchte/Trockenbau)
• Erfüllung der EnEV und DGNB-Richtlinien

Der Marktbedarf für serielle modulare Gebäude leitet sich aus den Berechnungen der Bauexperten der Unternehmensberatung McKinsey ab. Demnach werden sich Wohnungsbaugesellschaften in naher und ferner Zukunft verstärkt für die modulare Bauweise im Wohnungsbau entscheiden. Darüber hinaus wurde im Rahmen einer Studie durch quantitative Befragungen festgestellt, dass vor allem bei Architekten modulares und serielles Bauen in Zukunft der klassischen Bauweise vorgezogen wird.

Ziel des Vorhabens

Entwicklung massentauglicher CAD/CAM-gestützter Fertigungstechnologien auf der Grundlage von:

• Blechbearbeitungs- und Umformtechnologie sowie verfahrenstechnische Übertragung dieser Technologie auf Leichtbau-Raum-Module
• Robotergestützten Technologien zur Automatisierung der Modulfertigung und -montage (Umformprozesse, Schweißprozesse, Montageprozesse, etc.) zur industriellen Vorfertigung modularer Gebäude
• Automatisierbare Verschaltungstechnologien für das Verlegen von Kabelsträngen zur Elektroversorgung und Elektronik der Raum-Module
• Fertigungs- und Montagetechnologie für das Einbringen universaler Schnittstellen für elektrische/elektronische Medien und Medienversorgung
• Robotergestützter Montagetechnologien für Leichtbau-gerechte Klimatisierungslösungen, die sich in den automatisierten Fertigungs- und Montageprozess der Raum-Module einbinden lassen
• Materialflussoptimierung (Einbeziehung von Recyclinglösungen sowie von Rezyklaten)
• Architektonischen Konzepten für energieeffiziente modulare Gebäude in Abhängigkeit regionaler Bauweise und der Klimazone sowie unter Berücksichtigung von Quartierslösungen
• Flexibilisierung der Fertigungs- und Montagetechnologien modularer Gebäude in Abhängigkeit der Nutzungsarten der Gebäude (z. B. Ausstattung)
• Virtuellen Zwillingen als zentrale Entwicklungs- und Demonstratorplattform

Herausforderung

Im Projekt werden technologische Lösungen für die industrielle Serienfertigung von individuell gestaltbaren Wohngebäuden in modularer Leichtbauweise entwickelt. Zentrale Herausforderung ist die flexible Automatisierung der Fertigungsprozesse.

Lösungsansatz des Teilprojektes

• Fähigkeitsbasierten Steuerungsprogrammierung für Robotersysteme
• Befähigermodule, welche dem Industrieroboter einen Einsatz jenseits der üblichen Anwendungsgebiete ermöglicht (Optische Bauteilerfassung, 6D-Kraftmessung)
• Technologiemodule für die roboterbasierte Fertigung von Leichtbaugebäuden:
  • Technologiemodul 1: Thermisches Fügen
  • Technologiemodul 2: Lösbare Verbindung
  • Technologiemodul 3: Nachbearbeitung
  • Technologiemodul 4: Einlegen biegeschlaffer Strukturen
• Virtuelle Inbetriebnahme des roboterbasierten Montage- und Fertigungssystems
• Zusammenführung der Einzeltechnologien an einem flexibel bestückbaren Industrieroboter und einer repräsentativen Demonstratorstruktur des entwickelten Leichtbaugebäudes

Lösungsweg

Im Rahmen der Anforderungsanalyse und Pflichtenhefterstellung werden von der TUD das grundlegende Anbindungs- und Sicherheitskonzept sowie das Programmierframework erstellt. Anschließend werden die Lösungskonzepte für die Befähigermodule (Optische Bauteilerfassung und 6D-Kraftmessung) und die Technologiemodule (Thermisches Fügen | Lösbare Verbindungen | Nachbearbeitung | Einlegen biegeschlaffer Strukturen) erarbeitet. Die Fähigkeitsmodule stellen die technologieübergreifenden, über die Grundfunktionalität hinausgehenden notwendigen Fähigkeiten des Roboters dar. Zur Sicherstellung der Machbarkeit und Kollisionsfreiheit wird parallel an der virtuellen Inbetriebnahme der Einzelmodule und des Gesamtsystems gearbeitet. In der anschließenden Konstruktions- und Planungsphase werden die Fähigkeitenmodule implementiert und getestet. Neben der optischen Bauteilerfassung und der 6D-Kraftmessung sind hier die Bewegungs- und Positionierfunktionen zu erarbeiten. Auch das Abfahren von Bahnprofilen gehört nicht zu den üblichen Funktionalitäten von Industrierobotern. In der Entwicklungsphase des Demonstratormoduls werden die spezifischen Randbedingungen aus der Leichtbauhausentwicklung aufgegriffen und in die Entwicklung der Technologiemodule integriert. Die oben aufgeführten Technologiemodule werden in dieser Phase als Einzelmodule entwickelt, aufgebaut, in Betrieb genommen und getestet. In der letzten Phase werden die einzelnen Technologiemodule zu einem Gesamtdemonstrator zusammengeführt. Dies geschieht zunächst statisch, d.h. die Werkstücke und Vorrichtungen befinden sich an einem festen Ort. An diesen stationären Komponenten werden die technologischen Aufgaben nacheinander automatisiert abgearbeitet. In der zweiten Demonstrationsphase werden die Werkstückträger in ihrer Position verändert. Dadurch müssen diese neu referenziert werden.

Ergebnisse:

Als Projektergebnis wird angestrebt, die Roboter des LWM mit einer vielfältigen Auswahl modularer Endeffektoren auszustatten und für die Durchführung komplexer Fertigungsprozesse zu qualifizieren. Damit eröffnet sich für das LWM ein breites Forschungsfeld, das über die klassischen Handling- und Schweißoperationen hinausgeht. Durch die Integration der virtuellen Inbetriebnahme können kostengünstig Variantenuntersuchungen und Machbarkeitsstudien durchgeführt werden, wodurch das technische Risiko von Kollisionen deutlich reduziert wird. Die technische Umsetzung dieses Projektes ermöglicht es dem LWM, wichtiges Know-how für die Zukunft aufzubauen und langfristig relevante Forschung im Bereich Werkzeugmaschinen und deren Automatisierung zu betreiben. Damit wird nicht nur kurz-, sondern auch langfristig dem großen Bedarf an industrieller Automatisierung in einem Hochlohnland wie Deutschland Rechnung getragen. Die fähigkeitsbasierte Roboterprogrammierung wird die Programmierung des Gesamtsystems vereinfachen und flexibler als bisher gestalten, insbesondere bei der Implementierung neuer Operationen in die Fertigungszelle. Die mittelfristige Integration der entwickelten Technologie in die Lehre wird dazu beitragen, dringend benötigte Fachkräfte im Bereich Robotik und Programmierung auszubilden.

Aktueller Stand

Aktuell erfolgt der Aufbau der Roboterzelle und virtuelle Inbetriebnahme. Die Technologiemodule wurden in der CAD konzeptioniert und werden derzeit detailliert.

Kontakt

© Crispin-Iven Mokry

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

Name

Herr Dipl.-Ing. Frank Arnold

Maschinenverhalten

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Organisationsname

Professur für Werkzeugmaschinenentwicklung und adaptive Steuerungen

Professur für Werkzeugmaschinenentwicklung und adaptive Steuerungen

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Kutzbach-Bau, Raum E5 Helmholtzstraße 7a

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