Additive robotische Fabrikationstechniken für den Holzbau - Computergestützter Entwurf und integrierte strukturelle Fügeverfahren

• Antragsteller: Professor Philipp Eversmann; Professor Dr.-Ing. Werner Seim
• Fachliche Zuordnung: Architektur, Bau- und Konstruktionsgeschichte, Bauforschung, Ressourcenökonomie im Bauwesen ; Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 436451184

Digitale Entwurfsmethoden wie die Topologieoptimierung können eine ideale Materialverteilung erzeugen. Dies führt in der Regel zu sehr unregelmäßigen Strukturen, die beispielsweise im 3D-Druck hergestellt werden können, indem das Material ohne zusätzlichen Arbeits- und Kostenaufwand direkt in der gewünschten geometrischen Position und Qualität aufgebracht wird. Im Holzbau kann ein ähnlicher Ansatz durch den Einsatz von Industrierobotern erreicht werden, mit denen größere Materialbrocken in einem vollständigen digitalen Workflow zusammengesetzt werden können. Dieser additive Fertigungsansatz und die geometrische Unregelmäßigkeit stellen den Holzbau vor völlig neue räumliche, strukturelle und Herausforderungen der Fügungsmethoden. Wir wollen daher neuartige Verbindungstechniken untersuchen, die in die Roboterfertigung integriert sind, und rechnergestützte Konstruktionstechniken entwickeln, die eine hocheffiziente geometrische und qualitative Materialverteilung ermöglichen. Wir planen, diese Technologie an flächigen Elementen zu demonstrieren, da in der Architektur im Allgemeinen der größte Teil des Materials in Boden- und Wandelementen verwendet wird und diese häufig unter variablen Bedingungen getragen werden müssen. Wir wollen ein neuartiges Verbindungssystem untersuchen, das für die Robotermontage optimiert ist und das durch geometrischen Formschluss eine erhöhte Effizienz bei der Verbindung aufweist. Darüber hinaus untersuchen wir Optimierungsansätze (z. B. Form-, Größen- und Topologieoptimierung) in Kombination mit Multi-Material-Optimierung (verschiedene Holzsorten und -materialien).Wir wollen folgende Forschungsfragen beantworten:Was sind formeffiziente Geometrien für Robotermontagetechniken?Was sind strukturformeffiziente Geometrien?Welche geometrischen Eigenschaften sind zugleich für die automatisierte Herstellung und die strukturelle Effizienz geeignet?In Bezug auf die entwickelte Fügungstechnik:Was sind die Einschränkungen und das strukturelle Verhalten der entwickelten Verbindung in Bezug auf strukturelle Leistung, geometrische Eigenschaften und mögliche kinematische Bewegungen?Wie können wir die Eigenschaften der entwickelten Verbindung parametrisieren, damit sie für Konstruktions- und Konstruktionswerkzeuge verwendet werden kann?Wie können modernste Optimierungsansätze (z. B. Form-, Größen- und Topologieoptimierung) zur Strukturoptimierung von mit dem entwickelten Materialsystem hergestellten Oberflächenholzelementen verwendet werden? Welche Methoden sind geeignet?Wie können die Randbedingungen des entwickelten Materialsystems in modernste Optimierungsmethoden integriert werden?Mit großmaßstäblichen Demonstratoren sollen die Entwurfsmethode und das Verhalten der Verbindung in einer großen Struktur überprüft werden. Strukturelle Experimente werden verwendet, um die entwickelten Simulationsmodelle zu verifizieren (sowohl die Verbindungseigenschaften als auch das strukturelle Gesamtverhalten der hergestellten Komponenten).

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen