Die Automatisierung erreicht inzwischen auch den Betonbau. Während viele Industriezweige ihre Fertigung bereits weitgehend automatisiert haben, dominieren bei der Herstellung von Betonbauteilen noch immer Handarbeit und zeitaufwendige Einzelprozesse.
Hier setzt das Forschungsprojekt CREATE (Concrete Robotics Engineering in Automation Technology) der Ruhr-Universität Bochum an. Die Wissenschaftler wollen zeigen, wie sich Stahlbetonbauteile zukünftig nahezu vollständig automatisiert herstellen lassen – und zwar in nur rund 3 Stunden.
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Warum Betonbauteile bislang viel Zeit benötigen
Die Herstellung eines Stahlbetonbauteils besteht aus zahlreichen Arbeitsschritten, die bis heute häufig manuell ausgeführt werden. Schalungen werden aufgebaut, Bewehrungsstäbe zugeschnitten, positioniert und verbunden. Anschließend wird betoniert. Danach muss der Beton zunächst ausreichend erhärten, bevor das Bauteil ausgeschalt oder weiterverarbeitet werden kann. Seine volle Nennfestigkeit erreicht er in der Regel erst nach 28 Tagen.
Wie aufwendig der Fertigungsprozess heute noch ist, beschreibt Dr. David Sanio vom Lehrstuhl Massivbau der Ruhr-Universität Bochum: „Auf einer herkömmlichen Baustelle wird jede Schalung von mehreren Arbeitern aus Holz gezimmert. Sie müssen die Bewehrung mit Drähten verbinden. Das alles ist mit viel Handarbeit verbunden, auch in Fertigbetonteilwerken.“
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Mit CREATE wollen die Forschenden diesen Herstellungsprozess weitgehend automatisieren. Das Robotersystem übernimmt nahezu alle Arbeitsschritte – von der Schalung über das Einlegen und Verbinden der Bewehrung bis zum Betonieren und Aushärten. Langfristig soll ein Großteil der Fertigung automatisiert ablaufen.
Drei Roboter übernehmen fast den kompletten Fertigungsprozess
Kernstück der Bochumer Anlage bilden drei Industrieroboter, die gemeinsam sämtliche Fertigungsschritte übernehmen. Jeder Roboter verfügt über 13 verschiedene Werkzeuge, die automatisch gewechselt werden können. Dadurch lassen sich unterschiedlichste Aufgaben ohne manuelle Eingriffe erledigen.
Die Roboter montieren zunächst die Schalung, greifen anschließend Bewehrungsstäbe, positionieren sie millimetergenau und verbinden sie durch Schweißen oder Drahtbindungen. Danach wird der Beton eingebracht. Autonome Transportfahrzeuge übernehmen anschließend den Weitertransport des Bauteils.
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Anstelle einer mehrtägigen Erhärtung wird das frisch betonierte Bauteil in einen Ofen gebracht. Dort härtet es bei etwa 80 °C innerhalb von rund 2 Stunden aus. Bereits nach ungefähr 3 Stunden steht ein belastbares Betonbauteil zur Verfügung, das anschließend vermessen und qualitätsgeprüft wird.
„Im Grunde wie in einem Waffeleisen.“, sagt Prof. Dr. Peter Mark vom Lehrstuhl Massivbau an der Ruhr-Universität Bochum.
Dieses Verfahren ist jedoch auf die automatisierte Fertigung in der Forschungsanlage ausgelegt. Für Ortbeton auf Baustellen gelten weiterhin die üblichen Erhärtungs- und Festigkeitsentwicklungszeiten.
Robotik verändert den Betonbau weltweit
Auch wenn CREATE zunächst ausschließlich als Forschungsplattform dient, dürfte das Projekt vor allem für Hersteller von Betonfertigteilen interessant sein. Zwar wurden dort bereits einzelne Produktionsschritte automatisiert, das Einlegen und Verbinden der Bewehrung erfolgt jedoch vielfach noch manuell. Gelingt hier eine zuverlässige Automatisierung, könnten Fertigungszeiten sinken und Qualität sowie Reproduzierbarkeit steigen.
Die Bochumer Anlage steht nicht allein. Weltweit investieren Hochschulen, Forschungsinstitute und Unternehmen in robotergestützte Bauverfahren.
An der ETH Zürich entstehen seit Jahren robotisch gefertigte Beton- und Mauerwerkskonstruktionen mit komplexen Geometrien. Andere Forschungsgruppen arbeiten an automatisierten Bewehrungssystemen oder kombinieren Robotik mit dem 3D-Betondruck. Wieder andere entwickeln autonome Systeme für Bauwerksinspektionen oder den selektiven Rückbau von Gebäuden.
Mehr als nur schneller bauen
Die Forschenden verbinden CREATE außerdem mit einem zweiten Zukunftsthema des Bauwesens: dem zirkulären Bauen. Die Anlage soll künftig auch im Sonderforschungsbereich „Modular Reuse“ zum Einsatz kommen. Dort untersuchen die Wissenschaftlerinnen und Wisseschaftler, wie sich bestehende Bauwerke langfristig als Rohstofflager nutzen lassen. Ziel ist es, tragende Bauteile möglichst nicht zu recyceln, sondern direkt wiederzuverwenden.
Robotersysteme könnten dabei helfen, Bauteile zu identifizieren, zu vermessen, zu bearbeiten und für ihren erneuten Einsatz vorzubereiten. Damit würde Robotik nicht nur den Neubau verändern, sondern auch den Umgang mit dem Gebäudebestand.
Bis zur industriellen Serienfertigung bleiben Herausforderungen
Trotz der vielversprechenden Ergebnisse ist CREATE keine fertige Produktionsanlage für den industriellen Einsatz. Noch gibt es viele Fragen. So unterscheiden sich Betonbauteile häufig erheblich in ihren Abmessungen, Bewehrungskonzepten und Einbauteilen. Während standardisierte Elemente vergleichsweise einfach automatisiert werden können, stellen komplexe Sonderbauteile deutlich höhere Anforderungen an Robotik und Software.
Hinzu kommen wirtschaftliche Aspekte. Vollautomatisierte Fertigungslinien erfordern hohe Investitionen und lohnen sich vor allem dort, wo ausreichend große Stückzahlen produziert werden. Auch Normen, Zulassungen und Qualitätssicherungsprozesse müssen an neue Fertigungsmethoden angepasst werden.
Fest steht, dass der Automatisierungsgrad im Betonbau in den kommenden Jahren steigen wird. Der anhaltende Fachkräftemangel, steigende Qualitätsanforderungen und der zunehmende Digitalisierungsdruck sprechen dafür, dass robotergestützte Fertigung künftig eine wesentlich größere Rolle spielen wird.
Quellen
- Ruhr-Universität Bochum – Presseinformation
- Ruhr-Universität Bochum – Lehrstuhl für Massivbau
- ETH Zürich – Gramazio Kohler Research
- ETH Zürich – National Centre of Competence in Research (NCCR) Digital Fabrication
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