Eine Drohne druckt 3D-Material mit einem Delta-Arm-Manipulator. (Bild: Imperial College London, University College London, University of Bath)
Der 3D-Druck gewinnt in der Bauindustrie zunehmend an Bedeutung. Sowohl auf Baustellen als auch in Fabriken drucken stationäre und mobile Roboter bereits Bauteile in Stahl und Beton. Ein neuer Ansatz für den 3D-Druck verwendet fliegende Roboter: Drohnen, die kollektive Baumethoden anwenden – inspiriert von natürlichen Baumeistern wie Bienen und Wespen.
Ein Forschungsteam unter Federführung von Mirko Kovac, der an der Empa das „Materials and Technology Center of Robotics“ leitet und zugleich als Professor am „Imperial College London“ forscht, hat sich diesen Ansatz zu Nutze gemacht und einen kooperativ agierenden Drohnenschwarm entwickelt.
Wie setzt sich der Drohnenschwarm zusammen?
Das System wurde „Aerial Additive Manufacturing“ (Aerial-AM) getauft und besteht aus einer Flotte von Drohnen, die für einen einzigen Bauplan zusammenarbeiten. Wie das funktioniert, berichteten die Forscher nun erstmals im Wissenschaftsmagazin „Nature“.
Sogenannte „Buil Drones“, drucken während des Fluges Materialien und platzieren diese an den vorgesehenen Stellen. „Scan Drones“ wiederum dienen der Qualitätskontrolle, sie erfassen kontinuierlich die Leistungen der „Buil Drones“ und geben die kommenden Fertigungsschritte vor.
Das Aerial-AM-System ist so konzipiert, dass die Drohnen ihre Tätigkeit im Lauf des Bauprozesses an die unterschiedlichen Geometrien der Struktur anpassen können. Sie agieren während ihres Flugeinsatz autonom, doch es gibt einen menschlichen „Controller“. Dieser beobachtet den Prozess und nimmt bei Bedarf Anpassungen vor – auf der Grundlage der von den Drohnen gelieferten Informationen.
Mit welchen Materialien arbeiten die Drohnen?
Um das Konzept zu testen, entwickelten die Forscher vier zementähnliche Mischungen, mit denen die Drohnen bauen sollten. Die Probedrucke umfassten einen rund 2 m hohen Zylinder aus 72 Schichten eines Schaumstoffs auf Polyurethanbasis und einen 18 cm hohen Zylinder aus 28 Schichten eines eigens entwickelten zementartigen Materials.
Während des gesamten Bauprozesses bewerten die Drohnen die gedruckte Geometrie in Echtzeit und passen ihr Verhalten an, um sicherzustellen, dass sie eine Fertigungsgenauigkeit mit einer maximalen Abweichung von 5 mm einhalten.
Sind die Drohnen bereits im realen Einsatz?
Die bisherigen Versuche stimmen die Forschenden zuversichtlich – auch mit Blick auf Einsätze in der Baupraxis. „Wir haben demonstriert, dass die Drohnen autonom arbeiten können, um Gebäude zu errichten und zu reparieren, zumindest im Labor“, sagt Mirko Kovac, „diese skalierbare Lösung könnte das Bauen und Reparieren in schwer zugänglichen Bereichen wie Hochhäusern erleichtern.“
Im nächsten Schritt werden die Fachleute mit Bauunternehmen zusammenarbeiten, um die entwickelten Lösungen in der Praxis zu validieren und neue Reparatur- und Fertigungsmöglichkeiten zu entwickeln. Sie gehen davon aus, dass ihre Technologie im Vergleich zu herkömmlichen manuellen Methoden erhebliche Kosteneinsparungen und geringere Risiken ermöglichen wird.
Für alle, die wissen möchten, wie das Ganze in Bewegtbild aussieht, dem sei dieses Video empfohlen.
Quelle: Empa
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