Bau-Service-Roboter

Der Einsatz von Baurobotern wurde in den 1980er Jahren vor allem in Japan begonnen, um die menschlichen Arbeitsbedingungen zu verbessern und damit die Attraktivität eines oft wenig geschätzten Berufs zu erhöhen.

Es wurden zahlreiche Anwendungen für Bauroboter vorgeschlagen, wie zum Beispiel:

• Stilllegung, Abriss und Rückbau von (kerntechnischen) Großanlagen
• Bauwesen
• Straßenbau
• Roboter für den Schwer- und Tiefbau (Bohren, Tunnelbau, Erdbewegung usw.)
• Wartungsarbeiten

Die anfänglichen Visionen aus den 1980er und 1990er Jahren erwiesen sich als zu optimistisch, und der Bereich der Bauroboter hat sich viel langsamer und technologisch weniger radikal weiterentwickelt. Im Allgemeinen haben die Bauroboter deutlich weniger Roboter installiert als ursprünglich erwartet.

Mit dem Aufkommen der Individualisierung, der raschen Einführung additiver Fertigungsverfahren, vernetzter Fertigungsanlagen und der zunehmenden Datenintegration gewinnt der Hochbau jedoch zunehmend an Bedeutung für die Industrie und das öffentliche Erscheinungsbild.

Die meisten Prozesse im automatisierten Hochbau lassen sich in mehrere vorherrschende Arten von Funktionsabläufen gruppieren:

• Materialumschlag (als Schüttgut und Stückgut)
• Formgebung von Materialien (Schneiden, Brechen, Verdichten, Mauern und Bearbeiten, manchmal in Zusammenarbeit zwischen Arbeiter und Roboter)
• Strukturelle Verbindungen (Montage)
• Prototyp eines Seilroboters für den 3D-Betondruck
• Planung und Überwachung

Zu den Robotern für den Materialtransport gehören programmierbare Kräne und mobile Roboter, die Handhabung von Betonplatten und Maurerarbeiten auf Baustellen. Das Fügen von Bauteilen durch Roboter wurde für Stahlhochhäuser vorgeschlagen, da die Industrierobotertechnologie leicht an diese Aufgabe angepasst werden könnte. Bei der Bauautomatisierung wird häufig ein geteilter Ansatz verfolgt: Roboter fertigen Gebäudeelemente (Wände, Decken, Raumzellen, Treppen usw.) automatisch in Fabriken vor, und die Elemente werden zu den Baustellen transportiert, wo die strukturelle Verbindung manuell durchgeführt wird..

Bei der Servicerobotik liegt der Schwerpunkt des Einsatzes in der Bauindustrie auf der Anwendung vor Ort.

Die Roboter werden beim Schweißen von Stahl, bei der Herstellung von Bewehrungen, bei der Positionierung, bei der Verteilung von Beton, beim individuellen Bau (Mauerwerk), beim Innenausbau, bei der Baustellenlogistik und beim Betrieb von Fassaden eingesetzt. Für allgemeine oder zivile Bauaufgaben werden zunehmend funkgesteuerte oder teilautonome Robotergeräte eingesetzt. Einige dieser Gerätetypen werden auch in der Bergbauindustrie eingesetzt.

Erdbewegungsmaschinen

Die Fujita Corporation, ein Bauunternehmen mit Sitz in Tokio, entwickelte Mitte der 1990er Jahre das unbemannte “Tele-Earthwork System”. Durch den Einbau von handelsüblichen drahtlosen Kommunikationssystemen in Baufahrzeuge wurden ferngesteuerte Baumaschinen eingesetzt. Das System bestand aus einer Reihe von Komponenten, die schnell auf den meisten herkömmlichen Baggern installiert werden können, um einen unbemannten Betrieb zu ermöglichen. Zusammen mit der Installation von Überwachungskameras und drahtlosen Bildkommunikationssystemen auf den Baumaschinen und an verschiedenen Stellen auf der Baustelle ermöglichte es den Bedienern, diese Fahrzeuge von Kontrollräumen aus zu steuern, ohne die Maschinen direkt sehen zu müssen. Die maximale Entfernung zwischen den Kontrollräumen und den Baustellen beträgt etwa 2 km. Es wurde berichtet, dass Fujita’s unbemanntes Verfahren für den Bau einer Reihe von Rückhaltedämmen am Berg Fugen (Japan) eingesetzt wurde. Einer der Beweggründe für den Einsatz der ferngesteuerten Baumethode war der Schutz der Arbeiter vor Katastrophen oder Risiken in der Nähe von aktiven Vulkanen.

Im September 2019 sammelte das Start-up Built Robotics 33 Mio. USD für seinen Autonomy Stack ein, der Baufahrzeuge in autonome Roboter verwandelt. Die Kerntechnologie besteht darin, bestehende Baufahrzeuge mit verschiedenen Sensortypen und Aktoren auszustatten und diese Roboter in autonomen Flotten zu orchestrieren, die durch Hochladen von Blaupausenmetriken in schwere Maschinen wie Planierraupen und Bagger ferngesteuert werden können.

Bohren und Vorpolieren

Bohrungen müssen aus verschiedenen Gründen durchgeführt werden, z. B. bei der Verlegung von Telefon- oder Stromkabeln unter Flussbetten usw. Dazu muss die Oberfläche entlang der Trasse abgetragen werden. Ein Beispiel ist das 2012 gegründete Unternehmen nLink aus Norwegen, das Industrieroboterarme für Bohrungen auf Baustellen einsetzt. Seitdem hat nLink mehrere Auszeichnungen für seinen Deckenbohrroboter erhalten. Der präzise Bohrvorgang wird über eine App und einen Laser gesteuert und geführt.

Bei der grabenlosen Bohrmethode wird zunächst entlang einer vordefinierten Trasse gebohrt und der Tunnel dann mit einer Reibahle ausgewaschen und aufgeweitet. Wenn der Hohlraum die richtige Größe hat, wird z. B. das Produktgas oder ein Wasserrohr hindurchgeführt. Manchmal können solche grabenlosen Bohrungen, die als Mikrotunneling bezeichnet werden, bei Querungen mit einer Länge von bis zu 2.000 m und einer Tiefe von 300 m mit einem Durchmesser von weniger als 1,50 m eingesetzt werden. Diese Methode ist umweltfreundlich, da Baumwurzeln und andere unterirdische Objekte weniger beschädigt werden. Außerdem entstehen weniger Staub, Schmutz und Lärm, und es wird 20 % weniger Betriebsfläche benötigt. Sie ist kosteneffizient, da sie schneller ist und Straßen oder andere nahe gelegene Einrichtungen nicht gesperrt werden müssen. Obwohl weniger Arbeiter benötigt werden, müssen diese gut geschult sein, da die Roboter mehr Betriebskenntnisse erfordern als herkömmliche Maschinen. Genau wie im Straßenbau ist der Einsatzbereich von Bohrrobotern mehr oder weniger auf neue Bohrungen beschränkt, da Reparaturen und andere Wartungsarbeiten an Rohrleitungen oft eine vollständige Öffnung erfordern.

Ein grabenloser Bohrroboter wird von Tracto-Technik hergestellt. Der Einsatz von Robotertechnologien in diesen Bohrmaschinen sorgt für eine verbesserte Manövrierfähigkeit und Beweglichkeit.

Die Integration von Wahrnehmungs-, Lokalisierungs- und Kartierungstechniken ermöglicht präzise Bewegungen. Auch andere Hersteller ähnlicher Technologien bedienen diesen interessanten Markt. Große Nutzer dieser Technologie haben sogar eigene Produkte und Designs entwickelt, wie z. B. die Acemole von NTT.

Die von Casagrande s.p.a. hergestellten Hochleistungs-Tunnelbohrmaschinen bestehen aus einem Raupenfahrzeug mit zwei hydraulisch angetriebenen Roboterarmen, die die große Schiene tragen, die den Bohrmechanismus führt.

Die Steuerung dieser geschlossenen räumlichen kinematischen Kette erhöht die Genauigkeit und Wirtschaftlichkeit des Tunnelbaus erheblich.

Sowohl der kinematische Aufbau als auch die Steuerung des Roboters unterstützen schnelle Positionierungsverfahren und eine verbesserte Positionierungsgenauigkeit von weniger als 1 cm. Automatisierte Offshore-Bohrungen sind nach der Katastrophe im Golf von Mexiko im Frühjahr 2010 in den Fokus der Ölgesellschaften gerückt. Das norwegische Unternehmen Nabors Industries hat eine neue, sicherere Explorationsplattform entwickelt. Sie wird von hochentwickelten intelligenten Robotern gesteuert, die mit einer von Energid Technologies Corporation bereitgestellten Software gesteuert werden.

Die Anlage besteht aus einer patentierten gekapselten und druckkompensierten Konstruktion, die eine umweltfreundliche Lösung ohne Ableitung ins Meer und mit den gleichen Sicherheitsbarrieren wie bei herkömmlichen Bohrungen gewährleistet. Die Fernsteuerung über eine interaktive 3D-Schnittstelle ermöglicht einen unbemannten Betrieb.

Im Jahr 2018 startete der Aufzughersteller Schindler AG ein Projekt, bei dem ein konventioneller 6-Grad-Roboter von ABB für autonome Bohrungen in Aufzugsschächten eingesetzt wird. Die Schindler AG und das Council of Tall Buildings and Urban Habitat (CTBUH) starteten eine Partnerschaft, die sich auf die Erforschung der Baurobotik konzentriert.

Ein weiterer Vorteil der Automatisierung im Bauwesen ist generell die Vermeidung von Fehlern. Vor allem bei größeren Projekten können Fehler immense finanzielle Schäden verursachen. Deshalb sind mobile Roboter mit Druckern ausgestattet, die den vorhandenen Boden mit Hinweisen und Plänen für die Arbeiter markieren. Nicht nur zur Arbeitsvorbereitung, sondern auch zur Prozessüberwachung werden mobile Roboter auf der Baustelle eingesetzt. So stattet beispielsweise das Start-up-Unternehmen Scaled Robotics mobile Roboter mit Sensoren aus, die 3D-Karten erstellen, um Fehler zu erkennen und den Bauprozess zu überprüfen..

Strabag, ein österreichisches Bauunternehmen, setzt die vierbeinigen Roboter Spot von Boston Dynamics für die Dokumentation ihrer Baustellen ein. Sie sind mit verschiedenen Arten von Sensoren ausgestattet, um 3D-Karten zu erstellen, zum Beispiel auf der Baustelle des Bahnhofs in Stuttgart, Deutschland.

Ebene der Verteilung

Während des ersten Roboterbooms in den 1980er und 1990er Jahren wurden vor allem in Japan große Summen in die Entwicklung von Robotern investiert, die den Mangel an Arbeitskräften im Baugewerbe beheben und gleichzeitig die Qualität verbessern sollten. Diese Euphorie verflog jedoch, sobald die Automatisierung im Bauwesen alle Aspekte von Baumaterialien, -prozessen, -logistik und -abläufen betraf.  Statt einer Revolution im Bauwesen hat eine viel langsamere Entwicklung begonnen, die sich auf die Entwicklung spezialisierter Geräte für bestimmte Hochleistungsanwendungen wie Tunnelbau, Transport auf der Baustelle (z. B. Radlader) und Materialtransfersysteme für den lokalen Einsatz halbautomatischer Kräne konzentriert.

Die Taisei Corporation (Japan) berichtete über die Entwicklung eines Roboters zur Asbestentfernung aus Aufzugsschächten, der von der New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO, Japan) in Auftrag gegeben wurde. Die ferngesteuerten Robotergeräte entfernen und sammeln trocken aufgesprühten Asbest, der an Balken, Decken, Säulen und Wänden von Gebäuden verwendet wird. Das System ermöglicht es einem Bediener in einem separaten Raum, einen Roboter über einen Videomonitor fernzusteuern, um Spritzasbest zu entfernen und aufzusammeln, indem er aus einer am Ende des Roboterarms angebrachten Düse mit Schleifmitteln und superabsorbierendem Polymer vermischtes Wasser sprüht. Die ersten Experimente wurden im Oktober 2007 auf einer Abbruchbaustelle für ein Lagerhaus in Tokio durchgeführt..

Ein ferngesteuerter Asbestentfernungsroboter wurde auch zum Abstrahlen der asbesthaltigen Stuckschicht an Gebäudefassaden eingesetzt. Es wurde behauptet, dass Kosten und Zeit für den Einsatz des Roboters etwa gleich hoch sind wie bei einem rein manuellen Verfahren, wobei an den Ober- und Unterseiten der Fassaden, die der Roboter nicht erreichen kann, weiterhin eine manuelle Entfernung erforderlich ist. In dem von der EU finanzierten Projekt bots2rec, das im November 2019 endete, war die automatisierte Asbestsanierung der Hauptgegenstand der Forschung, da sie noch nicht dem Stand der Technik entspricht.

Das österreichische Start-up Baubot ist eines der ersten Unternehmen, das einen Mehrzweckroboter für Bauaufgaben entwickelt. Der mobile Roboter kann 3D-Druck, Materialhandling, Schweißen, Fräsen, Lackieren und vieles mehr.

Es wurden Prototypen von Straßenwalzen und Straßenbaurobotern vorgestellt, aber nur wenige Produkte sind heute auf dem Markt erhältlich. Eine erste Entwicklung, die in den 1990er Jahren vorgeschlagen wurde, war der Straßenroboter von Voegele (jetzt Teil der Wirtgen Group, Deutschland), der automatisch navigierte, ohne dass eine Führung durch Arbeiter erforderlich war. Er kombinierte die Aufgaben mehrerer konventioneller Maschinen, so dass der Roboter anstelle mehrerer aufeinander folgender Arbeitsschritte und -phasen sofort die endgültige Fahrbahndecke herstellte. Bisher wurde das Robotersystem noch nicht kommerzialisiert..

Andere Roboterkonzepte für die Straßeninstandhaltung wurden als Prototypen entwickelt und bewertet:

Intelligente Straßenmarkierungen könnten die traditionelle Basis der orange-weißen Sicherheitstrommeln durch einen mobilen Roboter ersetzen. Die Tonnenroboter können sich dann selbst aufstellen und wieder einholen, wodurch die Arbeiter von dieser gefährlichen Aufgabe entlastet werden.

Zentrale Komponenten für diese mobilen Baumaschinen sind 2D- oder 3D-Navigationsmodule, die mit spezifischen Geräten verbunden werden können.

Robotikkräne und Ausleger

Das Roboterunternehmen Brokk bietet verschiedene Arten von Robotern für Bauanwendungen an. Mit dem Brokk 900R bietet das Unternehmen einen Roboterausleger, der ferngesteuert werden kann und mit einem einarmigen Manipulator und verschiedenen Werkzeugen ausgestattet ist.

Ein Beispiel für einen computergesteuerten Kran oder Mast wird seit 2001 von Putzmeister Concrete Pumps (jetzt Teil von Sany, China) vermarktet. Ihre mobilen Betonverteilermaste können mit einer Computersteuerung (Ergonic 2.0) ausgestattet werden, um eine hydraulisch angetriebene redundante kinematische Kette (den mehrgliedrigen Arm) effizient zu führen und zu programmieren. Es wird berichtet, dass die Zeiteffizienz, die Schadensreduzierung und die Qualität der Betonlieferung drastisch verbessert wurden, so dass eine sehr gute Investitionsrendite erzielt werden kann. Die Steuerung ist ein Spin-off des SkyWash Flugzeugreinigungssystems.

Robotermanipulatoren für das Maurerhandwerk und die Fertigung

Die Meyco ME5 Logica, jetzt Epiroc (Schweden), basiert auf den kinematischen Prinzipien bestehender Spritzbetonpumpen (Beton, der auf Oberflächen gespritzt wird). Ein Laserscanner-Sensor misst die Kopfgeometrie und diese Information wird dann zur automatischen Steuerung des Abstands und des Winkels des Spritzstrahls verwendet..

Maurerroboter auf Baustellen haben das Prototypenstadium noch nicht verlassen. Herkömmliche Industrieroboter werden jedoch bei der Vorfertigung von Ziegelwänden und anderen Kunstwerken eingesetzt, wie bei der Lösung von Construction Robotics.

Die Bemühungen um den Einsatz von Robotern zur Herstellung überraschender architektonischer Formen haben in letzter Zeit viel Anerkennung gefunden. Die in einem umgebauten Frachtcontainer untergebrachte mobile Roboter-Fertigungseinheit kann überall eingesetzt werden. Sie verbindet die Vorteile der Vorfertigung - Präzision und gleichbleibend hohe Qualität - mit dem Vorteil kurzer Transportwege und einer Just-in-time-Produktion auf der Baustelle. Ein australisches Ingenieurteam hat eine andere Konstruktion vorgestellt, bei der parallele Arme verwendet werden. Der Prototyp “Hadrian” ist Berichten zufolge in der Lage, 1.000 Ziegel pro Stunde zu setzen. Im Jahr 2019 wurde der neue Prototyp Hadrian X vorgestellt.

Mit 200 Blöcken pro Stunde steigerte Fastbrick Robotics die Leistung des Prototyps und machte einen weiteren Schritt in Richtung Kommerzialisierung. Im Oktober 2020 wurde das erste zweigeschossige Haus von Hadrian X gebaut..

Das japanische Unternehmen Aist arbeitet an einem autonomen Roboter, der den gesamten Prozess der Montage von Platten an Wänden übernehmen kann. Im Gegensatz zu den meisten Robotern und Assistenzsystemen im automatisierten Bauwesen ist der HRP-5P als humanoider Roboter konzipiert, der sich auf den Beinen fortbewegt und zwei Arme zum Greifen, Transportieren und Montieren von Platten hat. Angesichts der zunehmenden Digitalisierung wird die Robotik zunehmend als Wegbereiter für überraschende architektonische Entwürfe gesehen, die von neuen Materialien, bionischen Strukturen und neuen Fertigungsverfahren inspiriert sind, die einen einzigartigen, manchmal additiven Aufbau komplexer Strukturen ermöglichen.

Beispiele sind:

• Eine segmentierte, schalenartige Struktur, die auf der Anatomie eines Seeigels basiert und aus geformten Buchensperrholzteilen zusammengenäht ist. Ein weiteres Beispiel ist ein netzartiger Pavillon auf der Grundlage der leichten Schale eines Käfers (Universität Stuttgart).
• Eine 3D-gedruckte Stahlbrücke, die eine tragende Struktur bildet, die das Gewicht des Roboters während der Arbeit trägt..
• Das DFAB-Haus ist das erste Haus der Welt, das mit überwiegend digitalen Verfahren entworfen, geplant und gebaut wurde.
• Eine Flotte von Drohnen wurde so programmiert, dass sie Tausende von Polystyrol-Ziegeln anheben und stapeln und so eine Reihe von Türmen im FRAC-Zentrum in Orléans, Frankreich, bilden.

Die Aktivitäten im Bereich der Bauautomatisierung und die Verbreitung tatsächlicher Bauroboter zur Steigerung der Produktivität der Arbeiter sind jedoch geringer als erwartet, was zum Teil an der Abneigung der Industrie gegen die mit der Einführung neuer Technologien, insbesondere von Robotern, verbundenen Risiken liegt. Außerdem sind Baustellen im Gegensatz zu ihren Pendants in der Fertigung größtenteils unstrukturiert, unübersichtlich und überfüllt, was den Einsatz von Robotern erschwert. Während bestimmte Roboter mit begrenzter Intelligenz langsam ihren Weg auf die Baustellen finden, sind andere nach wie vor verkleinerte Prototypen.

Im Schwer- und Tiefbau gibt es aufgrund der gefährlichen Bedingungen ein großes Potenzial für Robotik und Automatisierung. Erste Produkte für Erdbewegungsmaschinen sind zum Beispiel von CAT in vier verschiedenen Autonomiestufen erhältlich, die von der unterstützenden Ausführung von Aufgaben bis hin zu vollständig autonomen Fahrzeugen reichen. Diese Fahrzeuge wie Planierraupen oder Bagger sind bereits seit einigen Jahren im Einsatz, hauptsächlich im Bergbau.

Kosten-Nutzen-Überlegungen und Marketing-Herausforderungen

Der Roboter bringt das Material teilweise oder ganz autonom hoch, was den zeit- und arbeitsintensiven Einsatz von Kränen überflüssig macht. Der Roboterbau ist somit bis zu 30 % schneller. Er ist wetterunabhängig, da die Bautätigkeit im Inneren des Gebäudes stattfindet, was auch weniger Schmutz und Lärm verursacht..

Die Architektur des Gebäudes muss an die Bauweise angepasst werden. In den Gebäudefundamenten müssen Hydraulikzylinder angebracht werden, damit die Transporteinheit auf und ab gleiten kann. Eine ausreichende Nachfrage nach solchen einheitlichen Gebäuden ist wichtig, um die Kosten für den Bau von Robotern zu amortisieren..

Die Motivation für den Einsatz von Robotern im Baugewerbe ist die Erleichterung der Arbeitsbedingungen, die Versorgung der Roboterausrüstung mit digitalen und sensorischen Daten auf den Baustellen, die Erhöhung der Genauigkeit und die Förderung von Innovationen in diesem wirtschaftlich riesigen Sektor, anstatt sich auf billige Arbeitskräfte zu verlassen.

Insbesondere halbautomatische oder sogar ferngesteuerte unbemannte Baugeräte könnten eine wertvolle Rolle bei der Durchführung von Bauarbeiten spielen und die Sicherheit für menschliche Bauarbeiter erhöhen..

Die Hauptvorteile der Einführung von Robotern in diesem Bereich sind - die Reduzierung der manuellen Arbeit und die Erhöhung der Arbeitssicherheit.