ICD/ITKE Research Pavilion 2017: Drohnen und Roboter »Hand in Hand«

Seine erste Bewährungsprobe hatte das Bauwerk bereits zur offiziellen Eröffnung zu bestehen: Es diente als Anschauungsprojekt und Kommunikationsinkubator in den Pausen des internationalen Symposiums Fabricate 2017, das gemeinsam vom ICD der Universität Stuttgart und der UCL Bartlett School of Architecture, London veranstaltet wurde.

Der ICD/ITKE Research Pavilion 2016/2017 steht in einer Reihe von Vorgängerbauten, die als Kooperation des Instituts für Computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung (ICD) mit des Instituts für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen (ITKE) entstanden sind, einige davon ebenfalls als Kombination aus Glas- und Carbonfasern.Der ICD/ITKE Research Pavilion 2016/2017 ist in Bezug auf die statische Leistungsfähigkeit und seine cyber-physische Herstellung mit vernetzten Maschinen eine wesentliche Weiterentwicklung:

Faserverbundtragwerk: Leicht, weit spannend, effizient
Mit einem Gesamtgewicht von gerade mal einer Tonne, ist die 40m2 große und 12 Meter weit auskragende Dachkonstruktion ein äußerst effizientes Tragwerk. Möglich wurde das nicht allein durch die Verwendung von in Harz getränkten Glas- und Carbonfasern – insgesamt wurden 184 km Fasern verbaut. Entscheidend ist die exakt dem Spannungsverlauf folgende Wicklung mit dem leistungsfähigeren Carbon an den besonders beanspruchten Bereichen.

Biomimetik: Die Motte als Vorbild
In der Natur vorkommende Strukturbildungsprozesse standen als Ideengeber im Fokus dieses Projektes. Ziel war es, geeignete Baustrategien aus der Biologie zu identifizieren und diese in einen neuartigen robotischen Fabrikationsprozess für weit spannende Faserverbundtragwerke zu übertragen. In Kooperation mit dem Instituts für Evolution und Ökologie der Eberhard-Karls-Universität Tübingen wurden  zwei relevante Spezies von Miniermotten untersucht: Lyonetia Clerkella und Leucoptera Erythrinella. Die Larven dieser Spezies spinnen seidene „Hängematten“ zwischen Ankerpunkten auf gebogenen Blättern. Die Morphologie des Kokons und der Prozess seiner Bildung dienten als Grundlagen für einen technologischen Transfer. Konkret wurden verschiedene Konzepte genutzt: die Kombination aus der kernlosen Faserverstärkung einer biegeaktiven Unterkonstruktion, die Nutzung einer hierarchischen Faseranordnung über eine große Spannweite und ein mehrstufiger Prozess des volumetrischen Faserablegens zur Erstellung komplexer dreidimensionaler Formen.

Cyber-physische Herstellung: Vernetzung von Robotern und Drohnen
Da die Größe des gewählten Tragwerks über den Arbeitsbereich von industriell eingesetzten Robotern weit hinausreicht, war zur Herstellung dieser Faserverbundkonstruktion ein neuartiger Herstellungsprozess notwendig. So mussten mehrere Robotersysteme autonom kommunizieren und interagieren können, um den dafür notwendigen, kontinuierlichen Faserlegeprozess über eine größere Distanz zu ermöglichen. Der Herstellungsprozess basiert auf der Zusammenarbeit von präzise arbeitenden, stationären Robotern mit begrenzter Reichweite und solchen, die durch Mobilität über eine hohe Reichweite jedoch nur begrenzte Präzision verfügen. In diesem Versuchsaufbau wurden zwei Industrieroboter, welche die nötige Kraft und Genauigkeit zum Faserwickeln besitzen, an den beiden Enden des Tragwerks positioniert. Dazwischen wurden die Fasern mit einem autonomen, weniger präzise arbeitenden Transportsystem hin- und hergereicht, in diesem Fall eine selbst entwickelte Drohne. Durch die Kombination der Bewegungsfreiheit der Drohne mit der Kraft und Präzision der stationären Industrierobotern entstand eine Vielzahl an Möglichkeit die Fasern auf, über und durch ein Tragwerk hindurch abzulegen. Das ermöglichte eine Konstruktion und ein damit einhergehendes Tragverhalten, das mit einer der beiden Fertigungsmaschinen alleine nicht möglich gewesen wäre. Für den Prozess wurde ein adaptives Steuerungs- und Kommunikationssystem entwickelt, mit dessen Hilfe Industrieroboter und Drohne während des Faserlegeprozesses interagieren konnten. Durch eine integrierte Sensorschnittstelle konnten sich beide Maschinentypen in Echtzeit an sich ändernde Fabrikationsbedingungen anpassen. Die Drohne konnte autonom, ohne Unterstützung eines Piloten, fliegen und landen. Die Spannung der Faser wurde gemeinsam mit den Industrierobotern und der Drohne computerbasiert kontrolliert und angepasst. Für den digitalen und physischen „Handschlag“ wurde ein Ortungssystem entwickelt, mit dessen Hilfe der Austausch der Faser zwischen den Fertigungsmaschinen gesteuert werden konnte. Dieses adaptive Verhalten mittels integrierter Sensoren bildet den Ausgangspunkt für die Entwicklung von neuartigen Herstellungsprozessen für große Faserverbundstrukturen mit cyber-physisch vernetzten Maschinen.

Der einteilige Kragarm wurde vorgefertigt und durfte so die möglichen Transportvolumina nicht übersteigen. Prinzipiell ist das Verfahren auch für die Herstellung vor Ort geeignet, wodurch größere Spannweiten möglich sind.

Projektteam:
ICD Institut für Computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung – Prof. Achim Menges
ITKE Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen – Prof. Jan Knippers
Wissenschaftliche Leitung
Benjamin Felbrich, Nikolas Früh, Marshall Prado, Daniel Reist, Sam Saffarian, James Solly, Lauren Vasey
Entwicklung, Fabrikation and Herstellung
Miguel Aflalo, Bahar Al Bahar, Lotte Aldinger, Chris Arias, Léonard Balas, Jingcheng Chen, Federico Forestiero, Dominga Garufi, Pedro Giachini, Kyriaki Goti, Sachin Gupta, Olga Kalina, Shir Katz, Bruno Knychalla, Shamil Lallani, Patricio Lara, Ayoub Lharchi, Dongyuan Liu, Yencheng Lu, Georgia Margariti, Alexandre Mballa, Behrooz Tahanzadeh, Hans Jakob Wagner, Benedikt Wannemacher, Nikolaos Xenos, Andre Zolnerkevic, Paula Baptista, Kevin Croneigh, Tatsunori Shibuya, Nicoló Temperi, Manon Uhlen, Li Wenhan, mit freundlicher Unterstützung durch Michael Preisack.

In Zusammenarbeit mit:
Institut für Flugzeugbau (IFB) – Prof. Dr.-Ing. P. Middendorf, Markus Blandl, Florian Gnädinger
Institut für Ingenieurgeodäsie (IIGS) – Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schwieger, Otto Lerke
Institut für Evolutionsbiologie der Invertebraten, Eberhard-Karls-Universität Tübingen – Prof. Oliver Betz
Institut für Invertebraten Paläontologie, Eberhard-Karls-Universität Tübingen – Prof. James Nebelsick

ICD/ITKE Research Pavilion 2016-17 from ICD on Vimeo.