Auf der Weltausstellung in Paris war es um 1900 noch eine Vision: Wie Roboter die Zukunft verändern. Über hundert Jahre später nimmt die Robotik immer mehr Fahrt auf. Im Automobilbau sind sie längst Standard: Roboter, mit denen die verschiedensten Teile eines Fahrzeugs in Rekordzeit zusammengesetzt werden. Aber auch das Bauen wird sich dadurch immer mehr automatisieren. Seit den 70er-Jahren existieren erste Ideen für die Konstruktion von Baustellenrobotern. Insbesondere in Japan sind diese seit den 80er-Jahren vor allem im Hochbau zugange. „Japan hat kaum billige Fremdarbeiter, und aufgrund der hohen Grundstückspreise in den Metropolen herrscht ein enormer Kostendruck. Der Vorfertigungsgrad von Neubauten liegt hier bei 80 bis 90 Prozent. Auf manchen Baustellen montieren parallel 20, 25 Bauroboter Komponenten und damit bis zu 50 Prozent eines Gebäudes“, erklärte Thomas Bock, Professor für Baurealisierung und Baurobotik an der TU München gegenüber der Immobilienzeitung. Daher treiben dort große Konzerne die Entwicklung von vollautomatisierten Maschinen voran. Allein die letzten Jahre widmet sich auch die Forschung hierzulande intensiv der Technologie und die Wirtschaft investiert in die Entwicklung autonomer Systeme. Diese können immer komplexere Aufgaben selbstständig ausführen. Inzwischen wurden eine Reihe von Prototypen für verschiedenste Anwendungen entwickelt.
Erst wurden Roboter auf Baustellen für Einzelaufgaben hergenommen, wie Schweiß- und Fassadenarbeiten oder dem Glätten von Beton. Doch dabei stellte sich heraus, dass das kaum wirtschaftlich war, weil sie nicht in die Bauabläufe integriert waren. In den 90er-Jahren wurden sie dann eingebunden – das Ergebnis: Inzwischen können Robotiksysteme ganze Wolkenkratzer wie am Fließband aus dem Boden stampfen. Wie in die Vertikale aufgerichtete Fertigungsstraßen – beispielsweise aus der Automobilindustrie – ziehen sich solche Baustellen quasi vollautomatisch und von selbst Stockwerk um Stockwerk hoch gen Himmel. Somit sind die Gebäude schneller bezugsfertig. Einen Beweis, wie das funktioniert, trat der australische Roboter Hadrian der Firma Fastbrick Robotics (FBR) an, als er die Mauern für ein Haus in 48 Stunden hochzog und dabei tausend Ziegel in 60 Minuten setzte – an solche Werte kommen selbst die besten Maurer nicht heran. Hadrian – benannt nach dem römischen Kaiser, der in Großbritannien das 117 Kilometer lange Grenzbefestigungssystem Hadrianswall errichten ließ – ähnelt mit seinem Teleskoparm nur auf den ersten Blick einer Baumaschine. Der Roboter arbeitet 3D-Baupläne ab, welche die Position des Ziegels vorgeben. Dabei nimmt er sie nacheinander auf, bringt sie nach Bedarf auf die benötigte Länge, verputzt sie mit Mörtel und positioniert sie dank Teleskopen an die richtige Stelle – und das alles ohne Hilfskräfte, aber mit höchster Präzision.
2021 kündigte FBR an, dass sein Maurerroboter in einem Pilotprogramm eingesetzt wird, um zwei Prototyphäuser für den deutschen Ziegelhersteller Xella zu bauen. Xella wird seine Ytong Porenbetonblöcke und Silka Kalziumdioxidblöcke liefern, die für den Hadrian X kalibriert und zum Bau von Häusern im australischen Werk von FBR verwendet werden. Der Hadrian X-Roboter erzielt inzwischen eine Verlegegeschwindigkeit von 200 großen Blöcken pro Stunde – das entspricht 2 200 Standardziegeln bei manueller Arbeit. Bei dem Pilotprojekt soll herausgefunden werden, ob Änderungen an den Porenbetonblöcken oder CSU-Blöcken, Klebstoffen oder dem Hadrian X nötig sind, um deren Einsatz in Verbindung mit Robotik weiter voranzutreiben.
Xella ist bereits Mitglied im Center Construction Robotics und baut auf dem RWTH Aachen Campus zusammen mit anderen Industriepartnern an der Baustelle der Zukunft mit. Dort sollen neue Technologien unter realen Baustellenbedingungen erprobt werden. Ein Forschungsschwerpunkt ist das Thema automatisierte Fertigung. „In den letzten Jahren haben wir bereits einige interessante Ansätze gesehen, begleitet und selbst mitentwickelt. Nun ist es an der Zeit, diese Technologien serienreif in der Baupraxis umzusetzen. Wir freuen uns, unsere bisherigen Erfahrungen und Ideen mit dem Konsortium zu teilen und eine praxisgerechte Entwicklung gemeinsam voranzutreiben“, so Dr. Michael Leicht, Chief Digital Officer der Xella Gruppe.
Robotik soll helfen, Bauwerke nicht nur schneller, sondern günstiger und ohne Fehlerquote zu errichten. Hinzu kommt: Das Durchschnittsalter von Handwerkern steigt – Nachwuchs kommt nicht in dem Maße nach, wie er gebraucht wird. Der Fachkräftemangel könnte den Robotern den Weg in Richtung Automatisierung freimachen. Ein weiteres Argument: Roboter haben keine Arbeitsausfälle aufgrund von Krankheiten, wenn sie tonnenschwere Bauteile mit intelligenten künstlichen Gliedmaßen greifen, hochheben und in Position bringen – Berufskrankheiten wären somit vom Tisch, was die Sozialkassen entlasten würde. Gefährliche Arbeiten könnten die autonomen Maschinen übernehmen.
Im Herbst 2020 präsentierte Hilti erstmals Jaibot, seinen semi-autonomen, mobilen Baustellenroboter für Deckenbohrungen. Er ist selbstständig in der Lage, sich in Innenräumen akkurat auszurichten, Löcher zu bohren und diese anschließend für die verschiedenen Gewerke zu markieren. Zugleich soll er für mehr Sicherheit auf der Baustelle sorgen, um die Handwerker bei körperlich schweren, sich wiederholenden Arbeitsschritten zu unterstützen. Dies ist insbesondere im Bereich Heizung, Klima und Lüftung der Fall, da in dieser Branche typischerweise viele Löcher für Installationen gebohrt werden müssen. Per Fernsteuerung vom Bauarbeiter über die Baustelle navigiert, führt der Roboter die Bohraufträge in seiner Reichweite automatisch aus. Referenziert wird Jaibot von einer Totalstation. „Wir haben uns angesehen, welche Routinearbeiten auf der Baustelle zu den belastendsten gehören, und das sind in erster Linie die Überkopfarbeiten“, resümiert Julia Zanona, Produktmanagerin für den Bereich Robotics bei Hilti. Der semi-autonome Bohrroboter soll nicht nur Installationsunternehmen unterstützen, ihre Produktivität zu steigern, sondern auch dem Fachkräftemangel vorbeugen. Jahangir Doongaji, Mitglied der Konzernleitung der Hilti Gruppe: „Die Produktivität der Bauindustrie hinkt seit Jahren anderen Branchen hinterher. Der Margendruck und der bereits jetzt spürbare Fachkräftemangel in der Baubranche machen es immer schwieriger, diesen Rückstand aufzuholen. Die Digitalisierung bietet uns die Chance, dies zu kompensieren – durch die intelligente Verbindung von Prozessen, Teams und Daten. Mit Jaibot und in enger Zusammenarbeit mit unseren Kunden nutzen wir die Effizienz, welche die digitale Transformation auf die Baustelle bringen kann und wird.“
Selbst im Gerüstbau gibt es Ansätze, Robotik zu nutzen. So waren Walter Stuber und Dirk Eckart, Geschäftsführer der Roßweiner Gemeinhardt Service GmbH, bereit, das von dem Start-up Kewazo entwickelte Robotik-System Liftbot für einen Testbetrieb zu installieren. Der Liftbot ist in unter 30 Minuten aufgebaut und fährt Bauteile 42 Meter pro Minute sicher nach oben. Das ist fast doppelt so schnell wie bisher genutzte elektrisch betriebene Seilwinden und Bauaufzüge. Aufgrund seines Akkubetriebs funktioniert der Liftbot ohne Generator oder Stromanschluss. „Beim Gerüstbau werden oftmals bis zu 80 Prozent der Zeit für den Gerüstteiletransport benötigt“, weiß Eckart. Um herauszufinden, ob sich das Start-up durchsetzen kann, ließ der Gerüstbauer seine Ausbildungskolonne den Liftbot auf Herz und Nieren testen. Noch etwas ungeübt im Transportieren von Materialien müsste der Gerüstbaunachwuchs als Erster Verbesserungen erkennen können.
Aber auch der Einsatz von Baumaschinen und Lkw wird sich im Hinblick auf Automatisierung weiterentwickeln. Caterpillar führte auf der bauma die Fernsteuerung Cat Command für den Dozer D8T vor – eine Anwendung, die sich empfiehlt, wenn Arbeiten wie bei der Kampfmittelräumung oder aufgrund von Umweltbedingungen besser aus sicherer Distanz erfolgen sollen. Hier sind zwei Optionen möglich: Entweder steuert der Fahrer den Dozer in unmittelbarer Nähe mithilfe einer tragbaren Konsole oder von einer komfortablen Fernbedienungs-Fahrerkabine aus. Inzwischen wurde die Fernsteuerung weiter ausgebaut – damit lassen sich auch Lade-, Planier- und Aushubarbeiten ausführen. Die Fernsteuerungssysteme auf Basis der Cat Command Console und der Station sind vollständig in die elektronischen und hydraulischen Systeme der Maschinen integriert, um eine schnelle Reaktion und reibungslose Bedienung zu gewährleisten. Die Betriebsbefehle werden über Funk direkt an die Elektronik der Maschine gesendet, was zu einer Echtzeit- Steuerung führt. Ganz ohne Fahrer im Cockpit kommen Cat Muldenkipper schon lange aus, wenn sie in den Minen von Australien ihre Runden drehen und Rohstoffe transportieren.
Roboter eignen sich auch, um Inspektionsaufgaben vor Ort zu übernehmen. Trimble und Boston Dynamics haben sich deswegen zu einer strategischen Allianz zusammengetan, um den Baufortschritt überwachen zu können. Das amerikanische Bauunternehmen Mortenson mit Sitz in Minneapolis nutzt die neue Technologie, um Spot-Roboter mit GNSS autonom über komplexe Baustellen im Freien – beispielsweise Solarparks – zu bewegen. Damit soll der Zustand der Baustelle kontinuierlich kontrolliert werden. Die automatisierte Methode zur Erfassung von Daten bietet Mortenson Echtzeitinformationen über den Projektstatus und beschleunigt somit den Baufortschritt. „Roboter werden bei automatisierten Baumethoden eine entscheidende Rolle spielen und die menschlichen Arbeitskräfte von sich wiederholenden und gefährlichen Aufgaben entlasten“, so Martin Holmgren, Geschäftsführer des Bereichs Building Field Solutions von Trimble. „Die Zusammenarbeit mit Erstanwendern wie Mortenson hat uns Potenziale aufgezeigt, welche die nahtlose Kombination eines Spitzenroboters mit speziell a
Doch dem Einsatz von Robotern auf Baustellen sind auch Grenzen gesetzt. Während sie in der Massenproduktion immer gleiche Aufgaben ausführen können, ist jede Baustelle anders und stellt andere Anforderungen. Hinzu kommt, dass Robotik auch hohe Investitionskosten nach sich zieht, einschließlich der Ausgaben für Forschung und Entwicklung. Das mag vielen Baufirmen unrentabel erscheinen. Auch Aspekte der Haftung – etwa in Bezug auf autonome Baumaschinen – müssen erst noch geklärt werden. Hierzu gibt es noch keine allgemeingültigen Standards in der Rechtsprechung. Die ersten Ansätze von Baurobotern sind vielversprechend. Bis die breite Basis davon Gebrauch machen wird, muss sich die Technologie weiterentwickeln, um sie großflächig einsetzen zu können.
Robotertrends 2021
Die Zahl der weltweit installierten Industrieroboter hat sich zwischen 2010 und 2019 mehr als verdreifacht und erreichte zuletzt eine Stückzahl von 381 000 Einheiten per annum, so die International Federation of Robotics. Sie hat dabei fünf Trends ausgemacht, welche die industrielle Fertigung rund um den Globus derzeit prägen.
Roboter lernen neue Tricks: Industrieroboter werden zunehmend mit KISoftware, Bildverarbeitung und anderen Sensorsystemen ausgestattet, um neue anspruchsvolle Aufgaben zu meistern. Ein Beispiel dafür ist das Sortieren von Abfällen auf einem Förderband, das bisher per Hand erfolgte. Die neuen Robotergenerationen sind einfacher zu installieren, zu programmieren und vernetzbar. Fortschritte bei den Kommunikationsprotokollen ermöglichen inzwischen die nahtlose Integration von Robotern in Automatisierungs- und Industrie 4.0-Strategien.
Roboter arbeiten in intelligenten Fabriken: Die Automobilindustrie ist Vorreiter für Smart-Factory-Lösungen und nutzt Industrieroboter anstelle von Fließbändern, welche die traditionelle Automobilproduktion seit mehr als hundert Jahren dominierten. Die Zukunft gehört dem vernetzten Zusammenspiel von Robotern und autonom fahrenden Fahrzeugen – oder besser gesagt autonomen mobilen Robotern (AMRs). Ausgestattet mit modernster Navigationstechnik sind diese mobilen Roboter wesentlich flexibler als herkömmliche Fertigungsstraßen. Karosserien werden mittels fahrerloser Transportsysteme befördert. Sie können von der Fließbandfertigung abgekoppelt und zu Montagestationen umgeleitet werden, an denen sich individuell ausgestattete Varianten montieren lassen. Bei vollständigen Modellwechseln müssen nur die Roboter und AMRs neu programmiert werden, statt die gesamte Produktionslinie ab- und umzubauen. Gleichzeitig nimmt die Integration von Arbeitsplätzen mit Mensch-Roboter- Kollaboration an Fahrt auf, und Roboter arbeiten zunehmend Hand in Hand mit Menschen zusammen und das ganz ohne Schutzzaun.
Roboter für neue Märkte: Die Durchbrüche bei der Vernetzung tragen dazu bei, dass Roboter vermehrt in Fertigungssektoren eingesetzt werden, welche die Automation erst kürzlich für sich entdeckt haben. Dazu zählen beispielsweise die Lebensmittel- und Getränkeindustrie, Textilindustrie sowie Holzverarbeitungs- und Kunststoffwirtschaft. Die fortschreitende digitale Transformation wird zu völlig neuen Geschäftsmodellen führen, da die Produzenten leichter denn je diversifizieren können. In der smarten Fabrik lassen sich verschiedene Produkte im schnellen Wechsel nacheinander auf derselben Anlage montieren – die starre traditionelle Fertigungsstraße hat bald ausgedient.
Roboter helfen beim Klimaschutz: Die Anforderungen an die Industrie, künftig möglichst CO2-neutral zu produzieren, fördert Investitionen in moderne Robotertechnologie. Moderne Roboter arbeiten energieeffizient und reduzieren mit ihrem Einsatz unmittelbar den Energieverbrauch der Produktion. Aufgrund ihrer Präzisionsarbeit werden zudem weniger Ausschuss und fehlerhafte Ware produziert, was sich positiv auf den Ressourceneinsatz und Output auswirkt. Darüber hinaus sind Roboter auch bei der kosteneffizientesten Produktion von Anlagen für erneuerbare Energien im Einsatz. Dazu zählt beispielsweise die Herstellung von Fotovoltaikmodulen oder Wasserstoff-Brennstoffzellen.
Roboter sichern Lieferketten: Die Pandemie hat Schwächen in den globalisierten Lieferketten sichtbar gemacht. Für Hersteller besteht jetzt die Möglichkeit, Versorgungswege mit einer völlig neuen Perspektive zu denken. Wenn Automatisierung die Produktionsbedingungen angleicht, gewinnen Hersteller eine neue Flexibilität, die in Hochlohnregionen vielleicht nicht zur Verfügung stand. Die Automation mit Robotern bietet Produktivität, Flexibilität und Sicherheit.
„Die Fortschritte bei den Robotertechnologien tragen zu einem steigenden Robotereinsatz bei“, sagt Dr. Susanne Bieller, Generalsekretärin der IFR. „Die Covid-19-Pandemie hat selber keine neuen Trends ausgelöst, aber sie hat den Einsatz von Robotik über die etablierte Praxis hinaus beschleunigt. In dieser Hinsicht erweist sich die Pandemie als die größte Triebkraft für Veränderungen in der Industrie.“ LARA (Lightweight Agile Robotic Assistant) montiert auf MAV (Multi- Sensing Autonomous Vehicle) palettiert Produkte.
März/April 2021