4 Einsatzmöglichkeiten für 3D-Druck-Roboter oder -Drohnen in Architektur und Bauwesen

Von Zach Mortice
- 1. Sep 2015 - 7 min-LEKTÜRE
Minibuilders' Haft-Roboter kriecht am Rande der Konstruktion entlang und extrudiert einen langen Strang eines Marmor-Polymer-Verbundwerkstoffs. Mit freundlicher Genehmigung von Minibuilders und dem Institute for Advanced Architecture in Barcelona.

Im Bauwesen gelten eigene Regeln. Ob Sonnenbrillen, Möbel, Haushaltsgeräte oder Kampfjets: Kein anderer Produktionsprozess bringt derartig große Mengen an Material an einen Ort, baut ein Objekt und schafft anschließend den Abfall weg. Die Unwirtschaftlichkeit ist gewaltig.

Die modulare Bauweise schuf vielversprechende Möglichkeiten, Abfälle zu reduzieren. Kann jedoch eine alternative Lösung darin liegen, mehr Detailarbeit direkt vor Ort zu erledigen, statt weniger? Roboter und Drohnen mit 3D-Druckern könnten aufgrund ihrer Vielseitigkeit dazu beitragen, den turbulenten Bauprozess unter Kontrolle zu bringen.

Die in 3D-Druck-Robotern oder -Drohnen kombinierten Technologien könnten in der Fertigung des 21. Jahrhunderts schon bald zum Alltag werden. Diese Verbindung ist naheliegend und verspricht ganze neue Dimensionen in Wirtschaftlichkeit, Schnelligkeit, Nachhaltigkeit und Automatisierung. Gleichzeitig wirft sie Fragen auf hinsichtlich der Zukunft menschlicher Arbeitskraft und der Planungsverantwortung.

Im Sommer 2015 machte MX3D mit dem unvorstellbaren Vorhaben Schlagzeilen, in Amsterdam mit Mehrachsrobotern im 3D-Druckverfahren eine Fußgängerbrücke zu bauen. Von der Herstellung von Verkleidungen bis zur Erkundung des Planeten Mars – vier weitere Einsatzmöglichkeiten von 3D-Drucker-Robotern und Drohnen stehen kurz vor dem Countdown.

1. MUPPette: Technologie zum Anfassen. Die MUPPette 3D-Drucker-Drohne hat ihren ersten Auftritt beim SXSW Robot Petting Zoo („Roboter-Streichelzoo“). Die direkte Verbindung von Robotertechnik und 3D-Druck mutet an wie ein ferngesteuertes Spielzeug. MUPPettewurde bei der Firma Gensler von Tam Tran und Jared Shier entwickelt. Ihre Drohne verfügt über sechs Rotoren und navigiert mithilfe eines Laser-Entfernungsmessers und GPS-Sensoren. Sie ist mit einem spiralförmigen Förderer zum Extrudieren von Beton ausgestattet.

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MUPPette. Mit freundlicher Genehmigung von Gensler.

MUPPettes früher Erfolg bewegte die Entwickler dazu, die Konstruktionsweise auf Zukunftsfähigkeit zu überprüfen. „Aktuell handelt es sich bei 3D-Druck lediglich um Extrudieren“, stellt Tran fest. „Nur selten extrudieren wir etwas zur direkten Nutzung. Normalerweise wird die Technologie zum Ausfüllen oder zur Herstellung von Teilen eingesetzt.“

Idealerweise, sagen Shier und Tran, könnten 3D-Druck-Roboter ein Material benutzen, welches sowohl Konstruktion als auch Hülle formt – der Traum aller Architekten seit der Moderne. Eine solche Lösung würde sowohl dem ursprünglichen Bauhaus-Wunsch nach formalem und strukturellem Minimalismus entsprechen als auch die Materialeffizienz erhöhen.

Die Verbindung von 3D-gedruckter Konstruktion und Hülle würde außerdem ermöglichen, dass Gebäude in organischer Weise wachsen, ähnlich wie Bäume. „Man stelle sich die Mobilität eines Gerätes vor, welches uns erlaubt, an die Seite eines anderen Gebäudes zu bauen,“ sagt Shier. „Man würde kein Gerüst benötigen. Eine Drohne würde einfach eine beliebige Form an der Seite eines anderen Gebäudes erwachsen lassen.“

2. Minibuilders: Je schwieriger es wird, desto besser funktionieren sie. „Das Problem in Architektur und Bauwesen“, meint Petr Novikov, „ist die Tatsache, dass wir digital planen und dann manuell bauen. Dies führt zu erhöhter Unwirtschaftlichkeit.“

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Der Minibuilders Vakuum-Roboter haftet mithilfe eines Saugnapfes an der Konstruktion und verstärkt die senkrechte Bewehrung. Mit freundlicher Genehmigung von Minibuilders und dem Institute for Advanced Architecture in Barcelona.

Es sei denn, die von Novikov und seinem Team entwickelten Roboter kommen zur Hilfe.

Novikov hat eine Ausbildung in Architektur und Robotertechnik und zählte zu den leitenden Forschern beim Minibuilders-Projekt am Institute for Advanced Architecture in Barcelona. Das Team um Novikov und Forschungsleiter Sasa Jokic hat ein Drei-Roboter-System entwickelt, mit dem aus einem Marmor-Polymer-Verbundstoff Strukturen in menschlichem Maßstab gefertigt werden können.

Ironischerweise ist Novikov nicht davon überzeugt, dass die hochentwickelte und elegante Lösung sich zur universellen Anwendung im Bau eignet. Er betrachtet die Technologie eher als ein spezialisiertes Werkzeug. Die Branche arbeitet fieberhaft an der Herausforderung, bessere Druckmaterialien zu entwickeln, und Novikov sieht die fehlende Rekonfigurierbarkeit im 3D-Druck als den größten Nachteil.

„Aber wenn man in einem irregulären Umfeld arbeiten muss, ist es definitiv nützlich“, sagt er. In abgelegenen oder extremen Umgebungen, für die es kein bekanntes modulares Baukastensystem gibt, oder wenn die Geländebeschaffenheit unbekannt ist, erweist sich die Anpassungsfähigkeit eines 3D-Druck-Roboters vor Ort als ideal. Beispiele reichen von Gegenden, die lediglich unwirtlich sind (z. B. eine Wüste), bis zu außerirdischen Einsatzorten (z. B. eine Mond- oder Marsstation). Je schwieriger das Gelände, desto nützlicher erweist sich die Technologie.

Die NASA stimmt dem zu. Sie schrieb kürzlich einen mit 2,25 Millionen US-Dollar dotierten Technologiewettbewerb aus für das 3D-Drucken von Lebensräumen mit wiederverwerteten oder einheimischen Werkstoffen.

3. Swarmscapers: Die Verbindung zwischen Planung und Konstruktion im Druck. Am California College of the Arts (CCA) erforschen Studierende unter Professor Jason Kelly Johnson im Swarmscapers-Projekt, wie autonome 3D-Druck-Roboter gemäß den NASA-Vorgaben einheimische Materialien vor Ort nutzen könnten.

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Swarmscaper des Digital Crafts Lab der California College of the Arts. Mit freundlicher Genehmigung des CCA und Jason Kelly Johnson.

Im Rahmen des Digital Crafts Lab Master-Studiengangs am CCA und der Initiative „Creative Architecture Machines“ entwickelten Johnson und seine Studierenden eine Reihe von Robotern, die man in eine mit Sägemehl gefüllte Kammer setzte. Die Roboter fahren eine Endlosschleife und verleimen mit extrudiertem Kleber Schichten von Sägemehl, während ein Ventilator dabei ausreichend Material aus der Umgebung aufwirbelt, um jede Klebeschicht zu bedecken. Das Open-Source-Projekt erzeugt ovale kegelförmige Aufhäufungen, die Termitenhügeln gleichen.

Johnsons nächster Master-Kurs, den er gemeinsam mit Ingenieur Michael Shiloh lehrt, wird erforschen, wie Strukturen geschaffen werden können, die mehrere Materialien oder Funktionen kombinieren. Selbst das einfachste Gebäude setzt sich aus tragenden Elementen, Innen- und Außenschichten sowie Komponenten für Elektrik, Installation und Licht zusammen. 3D-Druck begrenzt sich in der Regel auf das Extrudieren eines einzelnen Elements. Wie also lässt sich das in eine Wand umsetzen, an der man ein Waschbecken montieren kann? „Unser kurzfristiges Ziel ist es, die Kopplung von zweien dieser Elemente zu untersuchen. Zu schauen, wie man Wasser in eine Gebäudehülle integrieren, und wie ein Roboter das steuern könnte“, sagt Johnson.

Die Schließung der Lücke zwischen Planung und Realisierung ist für Johnson der fundamental wichtigste Aspekt von 3D-Druckern und Robotern: der tote Winkel, in dem am meisten Zeit und Geld verschwendet wird und wo neue kreative Möglichkeiten schlummern.

„Die heutige architektonische Planung kommt immer näher daran, wie Dinge in Zukunft gefertigt und gebaut werden“, stellt Johnson fest.

4. „The Thread“ und Brückenbau mit Flugdrohnen: Den Prozess gestalten. Johnson möchte die Lücke zwischen Planung und Umsetzung mithilfe von 3D-Druck-Robotern verringern. Professor Robert Stuart-Smith von der London Architectural Association (AA.DRL) möchte sie komplett schließen.

Prototype printing for the Aerial Robotic Bridge Construction. Courtesy Robert Stuart-Smith.
Druck-Prototyp für das Aerial Robotic Bridge Construction Programm. Mit freundlicher Genehmigung von AA.DRL Studio.

Als Architekt, Forscher und Leiter eines Masters Studio an dem College konzentriert sich Stuart-Smith auf Backend-Programmierung und Algorithmen zur Steuerung von 3D-Druck-Drohnen, die dadurch befähigt werden sollen, die Objekte die sie erschaffen, automatisch zu überarbeiten und zu verbessern. Er stellt sich Schwärme von Flugdrohnen vor, die mittels autonomer, gemeinschaftlicher Entscheidungsfindung eine einfache Vorlage quasi im Flug an die Bedingungen eines Baugeländes anpassen. „Über die Hälfte der Planung geschieht in Echtzeit“, erläutert Stuart-Smith.

Die AA.DRL arbeitet sowohl mit realen Prototypen als auch mit Computersimulationen. Den Bauten von Ameisen oder Termiten nachempfunden, sind diese eine gespenstische Mischung aus geometrischer Präzision und biomorpher Evolution. The Thread setzt Drohnen ein, die selbsttätig Fasern in einer hängenden geometrischen Kokonform anordnen, beinahe so wie primitive Roboterwespen. Das Computerprogramm Aerial Robotic Bridge Construction simuliert, wie ein System von Drohnen, ähnlich einer Heuschreckenplage, vom Himmel herab kommt und zwei freitragende biomorphe Strukturen an gegenüberliegenden Felswänden entstehen lässt, die sich in der Mitte zu einer Brücke verbinden. (Der für diese theoretische Applikation entwickelte Druck-Prototyp extrudierte lichthärtendes Kunstharz, welches unmittelbar von einer Reihe mitgeführter Laser gehärtet wurde.)

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The Thread. Mit freundlicher Genehmigung von AA.DRL Studio.

Stuart-Smith sieht vorher, dass Drohnen ihre Planungen während der laufenden Umsetzung überprüfen, korrigieren und anpassen – und so ganz ohne menschliche Überwachung Objekte bauen werden. Dieser Grad der Automatisierung, versichert er, werde Genauigkeit sowie Material- und Energieeffizienz erheblich erhöhen.

„Die Bauproduktion könnte ein unglaublich schneller, maßgeschneiderter Prozess werden“, sagt er. „Alles wird komprimiert werden.“ Stuart-Smith glaubt, dass das Errichten eines Gebäudes genauso funktionieren wird wie ein 3D-Desktop-Drucker: „Man wird ohne Mehrkosten Vielfalt produzieren können, und dies sehr schnell.“

Armeen von Robotern prüfen und korrigieren die Arbeit von Architekten – der Traum eines Technikers und der Albtraum eines Architekten? Wenn man davon ausgeht, dass Architekten die 3D-Druck-Drohnen programmieren werden, so sieht Stuart-Smith Architekten nicht als Baumeister, sondern als Kodierungsexperten, die die Parameter für das zu erbauende Objekt bestimmen. Das Konzept sieht den Architekten nicht als den Urheber eines Gebäudes, sondern als den eines viel gewaltigeren Prozesses.

Hunderte schwebender, Baumaterial sprühender Präzisionsdüsen werden Stuart-Smith zufolge ganz neue Welten formaler Möglichkeiten eröffnen. „Es wird mehr Optionen für die Planung geben“, versichert er „mehr Variablen für mehr Einfluss.“

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