Drohnenschwarm mit 3D-Drucker: Bauteile direkt in der Luft drucken
Bienen oder Wespen machen es vor: In Schwärmen helfen sie sich gegenseitig und finden so effizienter Nahrung. Eine Forschergruppe hat das auf Drohnen übertragen und diese mit 3D-Druckern ausgestattet. Die fliegenden Roboter sollen in der Luft Bauteile drucken und auf Baustellen bei Reparaturen helfen.
Während die eine Drohne druckt, überwacht die andere die Leistung und gibt die nächsten Schritte vor.
Foto: Vijay M. Pawar & Robert Stuart-Smith / University College London, Department of Computer Science, London
Der 3D-Druck wird in der Bauindustrie immer bedeutender. Denn dadurch entstehen neue Möglichkeiten: zum Beispiel lassen sich Teile direkt vor Ort auf der Baustelle herstellen, die dann exakt passen. Das spart nicht nur Zeit und lange Transportwege, sondern auch Kosten und viel unnötiges Material. Eine internationale Forschungsgruppe vom Imperial College London, der eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) sowie der Technischen Universität München (TUM) haben diese Szenerie nun in die Luft verlegt. Als Vorbild dienten Baumeister wie Bienen und Wespen, die zudem in Schwärmen sehr viel effizienter unterwegs sind.
Basis für die Arbeit der Drohnen ist ein einziger Bauplan. Den nutzen sie auch dafür, ihre Arbeitsweise stetig anzupassen. Das bedeutet natürlich auch, dass sie während eines Fluges gänzlich autonom agieren. Im Hintergrund überwacht ein Mensch die Aktionen der Drohnen, prüft den Fortschritt und kann bei Bedarf eingreifen. Damit die Drohnen in der Luft gut arbeiten können, müssen alle zusätzlich notwendigen Teile extrem leicht sein. Denn die Drohnen sollen möglichst wenig Energie verbrauchen.
Individuelle Bauelemente aus Naturfasern im 3D-Druck
Drohnen brauchen Sensoren für möglichst exaktes Ergebnis
„Die größte Herausforderung für mein Team und mich war es, die Drohnen in die Lage zu versetzen, sehr präzise zu navigieren. Dafür mussten sie auch ihre Sensoren, beispielweise Kameras, nutzen, um die Struktur, die sie gedruckt haben, genau zu erfassen und ihre Arbeitsweise an die gesammelten Daten anzupassen“, erläutert Stefan Leutenegger, Professor für Machine Learning for Robotics an der TUM und Reader am Imperial College London. Eine Drohne fliegt also praktisch erst einmal ihren Arbeitsplatz ab und scannt alles ab, was dort bereits vorhanden beziehungsweise schon gedruckt worden ist. Diese Informationen helfen der Drohne dabei, anschließend genau die Stelle zu finden, wo sie weiterarbeiten soll.
Eine weitere Herausforderung bestand darin, ein möglichst exaktes Druckergebnis zu bekommen. Drohnen neigen dazu, im Flug zu driften. Sie länger an genau einer Stelle zu positionieren, ist nahezu unmöglich. Vor allem dann, wenn sie draußen im Einsatz sind. Diesem Problem begegneten die Forschenden mit einem speziellen Druckkopf, der sich genau auf solche Gegebenheiten einstellen kann und entsprechend flexibel die Schwankungen in der Luft ausgleicht. Das Ergebnis: Die Drohne ist so in der Lage, millimetergenau an der gewünschten Stelle das Material zu drucken. „Wir haben bewiesen, dass Drohnen autonom und im Tandem arbeiten können, um Gebäude zu bauen und zu reparieren, zumindest im Labor. Unsere Lösung ist skalierbar und könnte uns in Zukunft helfen, Gebäude in schwer zugänglichen Gebieten zu bauen und zu reparieren“, ergänzt Mirko Kovac, Professor für Flugroboter am „Department of Aeronautics des Imperial College London“ und dem „Materials an Technology Center of Robotics“ der Empa.
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Drohnenschwarm schafft Druck auf fünf Millimeter genau
In einem weiteren Versuch setzen die Forschenden eine Drohnen-Flotte ein. Während die „BuilDrones“ die Materialien auftragen, überwachen die „ScanDrones“ die Leistung und geben die weiteren Schritte vor. Eigens für dieses Experiment entwickelten die Forschenden Zementmischungen. Sie lassen sich im flüssigen Zustand transportieren und verarbeiten, härten dann erst nach dem Druck an Ort und Stelle aus. Im Rahmen des Versuchs druckte die Drohnen-Flotte einen 2,05 Meter hohen Zylinder. Dieser besteht aus 72 Schichten eines Schaumstoffs auf Polyurethanbasis. Dazu stellten sie einen kleineren Zylinder her, der 18 Zentimeter hoch ist. Dafür kam das speziell entwickelte zementartige Material zum Einsatz. Sie schafften es mit einer Genauigkeit von fünf Millimetern.
Im nächsten Schritt sollen die fliegenden Roboter lernen, sich auf realen Baustellen zwischen Menschen und Maschinen zu bewegen. Die Herausforderung dabei ist, dass sich auch Menschen und Maschinen ständig bewegen und sich die Strukturen innerhalb der Baustelle täglich ändern können. Damit eine sichere Kooperation entsteht, müssen die Roboter zu Helfern werden, die mitdenken können.
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