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Interview mit Achim Menges

Digitale Schale

In der Automobilproduktion ist der Einsatz von Industrierobotern schon lange Standard. Mit einem Forschungsprojekt der Universität Stuttgart und der Mullerblaustein GmbH hält die Robotik nun auch im Holzbau Einzug – und eröffnet völlig neue Möglichkeiten in Sachen Leichtbau und Ressourceneffizienz.

Manchmal ist es der Nachsatz, der die Bedeutung einer Aussage erst so richtig deutlich macht. Benjamin Eisele, Projektingenieur beim mittelständischen Holzbauunternehmen Müllerblaustein HolzBauWerke, erinnert sich jedenfalls noch sehr gut an den Anruf seines Vorarbeiters vom Montageteam. „Als er sagte: ‚Wir sind fertig. Das letzte Teil hat seinen Platz gefunden – und zwar, ganz ohne Gewalt anzuwenden‘. - Das war der beste Moment im ganzen Projekt“, erzählt der 35-Jährige. Immerhin bestätigte die Nachricht den erfolgreichen Abschluss einer Pionierleistung im Holzbau. Auf den Millimeter genau hatte sich zuvor die letzte von insgesamt 243 sechseckigen und mit Fingerzinken versehenen Buchensperrholzplatten an ihren Platz gefügt – und die weltweit erste Holzschalenkonstruktion vollendet, die digital geplant und komplett von einem Industrieroboter gefertigt wurde.

Architektur neu denken

Die erste Idee für den nüchtern nur „Forstpavillon“ genannten Bau liegt da bereits knapp zwei Jahre zurück. Als Teil des von der EU und dem Land Baden-Württemberg geförderten Forschungsprojekts „Robotik im Holzbau“ erhielten das Institut für Computerbasiertes Entwerfen der Universität Stuttgart und Müllerblaustein sowie weitere Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft den Auftrag, das Ausstellungsgebäude des Landesbetriebs Forst Baden-Württemberg für die Landesgartenschau 2014 in Schwäbisch Gmünd zu bauen. „Eine tolle Möglichkeit“, sagt Tobias Schwinn, Projektleiter und wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Computerbasiertes Entwerfen (ICD) an der Universität Stuttgart. „Wir hatten ein ähnliches Projekt schon 2011 in kleinerem Maßstab realisiert. Aber für den Forstpavillon konnten wir unser Konzept in der Praxis und zusammen mit Industriepartnern auf die Probe stellen“, sagt er. Der 37-Jährige erforscht am ICD unter Professor Achim Menges, wie computerbasierte Verfahren und Robotik auch in der Architektur noch stärker zum Einsatz kommen können. Ihr Ziel ist kein geringeres als eine fundamentale Veränderung im Entwurfs- und Fertigungsprozess. „Üblicherweise wird zunächst mit Stift und Papier die Form ermittelt und dann erst der Weg und die Materialien, um sie zu realisieren“, erklärt Schwinn, „Das hat oft eine gewisse Rationalisierung des Entwurfs und etliche Nachberechnungen zur Folge.“ Die Experten vom ICD drehen deshalb den Spieß um. „Wir gehen vom Material, seinen Eigenschaften und den Möglichkeiten der Fertigung aus und ermitteln dann per Computer eine material- und fertigungsgerechte Architektur.“ Parametrisches Design heißt dieses Verfahren. „Der Ansatz berücksichtigt von Anfang an alle wesentlichen Aspekte wie Form, Material und Struktur, aber auch Grenzen von Produktion und Montage“, sagt Schwinn und deutet auf seinen Computerbildschirm, auf dem scheinbar planlos Hunderte Kreise über die gewölbte, nierenförmige Silhouette des Forstpavillons wandern – bis schließlich alle 243 Teile ihren perfekten Platz und ihre perfekte Form gefunden haben. Die nötige Software haben Schwinn und seine Mitarbeiter im Rahmen des Forschungsprojekts gleich mitentwickelt. „Wir haben die einzelnen Platten nicht gezeichnet, sondern als sogenannte Agenten definiert, die Werte wie Größe, Gewicht und Abstände zu benachbarten Teilen einhalten müssen. Die genaue Form wird dann per Computer ermittelt.“

„Für den Pavillon konnten wir unser Konzept in der Praxis auf die Probe stellen.“
- Tobias Schwinn, Projektleiter am Institut für Computerbasiertes Entwerfen (ICD) an der Universität Stuttgart

Die Forschung

Das Forschungsprojekt „Robotik im Holzbau“ am Institut für Computerbasiertes Entwerfen (ICD) an der Universität Stuttgart soll den Einsatz von Industrierobotern in kleinen und mittelständischen Holzbauunternehmen vorantreiben. Was in der Automobilindustrie schon lange üblich ist, hält damit auch im Holzbau Einzug. Die Vorteile: individuelle Planbarkeit, hohe Effizienz bei der Herstellung und große Formenvielfalt sowie eine präzise Fertigung mit minimalen Toleranzen. icd.uni-stuttgart.de

Der Pavillon

Der 17 Meter lange, elf Meter breite und sechs Meter hohe Forstpavillon auf dem Gelände der Landesgartenschau 2014 in Schwäbisch Gmünd wird auch nach der Veranstaltung als Ausstellungsgebäude genutzt. Die Plattenkonstruktion wurde bewusst so gestaltet, dass sie von innen sichtbar ist. Außen wurde das Gebäude mit einer Holzfaserdämmung sowie mit Lärchenholzplatten zum Wetterschutz verkleidet. Als „wegweisende Innovation“ wurde der Entwurf zuletzt mit einem Sonderpreis beim Holzbaupreis Baden-Württemberg 2015 ausgezeichnet.

Das Video zum Projekt zeigt den Roboter in Aktion: icd.uni-stuttgart.de/?p=11173

Auf den Millimeter genau

Ein sechsachsiger Industrieroboter brachte die Fingerzinken in Form.

Im richtigen Winkel

Auch die Kanäle für die Schraubverbindungen wurden per Roboter gebohrt.

„Wir sind den ersten Schritt zur Abkehr von der Serienproduktion gegangen.“
- Professor Achim Menges

Das Vorbild

Die organische Form des Forstpavillons ist alles andere als Zufall. Pate bei der Entwicklung stand der Sanddollar, eine Seeigelart, deren Skelett aus polygonalen Kalkplättchen besteht. Sie sind passgenau miteinander verzahnt und bilden eine Schale, die bei minimalem Materialeinsatz extrem leicht und stabil ist. Genau wie die 243 nur fünf Zentimeter dicken Buchensperrholzplatten des Pavillons mit ihren gut 7.600 individuellen Zinkenverbindungen.

Ein Seeigel als Vorbild

Tatsächlich ist der Prozess also alles andere als zufällig. Rund 50 verschiedene Parameter liegen dem Entwurf zugrunde. Die Ingenieure haben ihre Software mit Angaben zur Grundfläche, Höhe und Breite des Gebäudes, zu Materialeigenschaften der Sperrholzplatten und zum maximalen Bauteilgewicht (50 Kilogramm) mit Daten zum Bewegungsradius des Roboters gefüttert, der die Fertigung übernehemen sollte. Außerdem mit Vorgaben für Montage und Statik, wie etwa den möglichen Einschraubwinkeln der verwendeten SPAX und dem minimalen Randabstand für die Schrauben. „Wir mussten die Platten ja unkonventionell an den Schmalseiten verbinden. Dazu war es wichtig, den Ausziehwiderstand der SPAX genau zu ermitteln“, sagt Schwinn. Auch die futuristisch anmutende Form resultiert aus der Summe aller Teile. Denn ein Mehr an Form bedeutet oft ein Weniger an Material, häufig orientiert an natürlichen Vorbildern. So ist die Struktur des Forstpavillons dem Körper des Sanddollars nachempfunden, einer weit verbreiteten Seeigelart. Ihr rundes Kalkskelett besteht aus dünnen, polygonalen Plättchen, die passgenau aneinandergefügt und miteinander verzahnt sind. Das Ergebnis ist eine leichte, aber dennoch sehr stabile Hülle.

SPAX verbindet

Das außergewöhnliche Tragwerk des Forstpavillons halten mehr als 17.000 SPAX zusammen, darunter rund 9.000 Vollgewindeschrauben, knapp 5.000 Teilgewindeschrauben, 750 Beschlagschrauben sowie 3.000 Fassadenschrauben mit CUT-Spitze.

Fertigung per Roboter

Indem das Team dieses Prinzip auf den Forstpavillon übertrug, gelang es erstmals, eine Schale aus perfekt aufeinander abgestimmten Holzplatten zu konstruieren. „Und wir sind den ersten Schritt zur Abkehr von der Serienproduktion gegangen, die ihre Logik aus einer Vielzahl von Gleichteilen zieht“, erklärt Professor Achim Menges. Vielmehr könne jedes Bauteil mit dem entwickelten robotisch-parametrischen Verfahren – wie die Kalkplättchen des Sanddollars – ganz spezifisch in Hinblick auf seine Lage und seine Funktion im Tragwerk konzipiert und gebaut werden. „Das eröffnet gerade in Sachen Leichtbau und Ressourceneffizienz völlig neue Möglichkeiten.“ Doch was einfach und überzeugend klingt, wird erst durch die Holzbearbeitung per Industrieroboter möglich. Jede der insgesamt 7.600 notwendigen Fingerzinkenverbindungen weist eine andere Geometrie auf. „So etwas manuell herzustellen, wäre überhaupt nicht machbar“, sagt Holzbauexperte Eisele. „Hier hat das Projekt sehr gut gezeigt, wie Robotik das bestehende Leistungsspektrum im Holzbau ergänzen kann.“ Nach einem groben Zuschnitt auf einer CNC-Anlage bei Müllerblaustein wurde jede Platte nummeriert, mit einem Barcode versehen und an einen eigens für das Projekt aufgestellten Industrieroboter übergeben. Dieser hat, mit Fräse und Bohrer bestückt, die endgültige, vom Computer vorgegebene Form herausgearbeitet. „Und zwar mit einer Genauigkeit im Zehntelmillimeterbereich“, schwärmt Eisele. „Hightech mit Holz“ nennt das Projektleiter Schwinn. „Ist doch toll, was man plötzlich mit diesem traditionellen, aber überall verfügbaren Werkstoff machen kann.“ Ideen gibt es genug – und ein neues Forschungsprojekt mit dem Titel „R hoch 3 – ressourcenschonend, regional und robotisch gefertigt. Holzleichtbau und digitale Planung im Bestand“ auch schon. Die Wissenschaftler sind also noch lange nicht fertig.

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