Lekki, stabilny – i zbudowany przez robota

Nowy pawilon badawczy stworzony na Uniwersytecie w Stuttgarcie wyznacza nowe standardy w dziedzinie architektury konstrukcji lekkich.
Lekki i zarazem stabilny, niczym pajęcza sieć: pawilon badawczy 2014/2015 Uniwersytetu w Stuttgarcie. Faktyczną inspiracją dla projektu stworzonego przez pracowników Instytutu Projektowania Komputacyjnego (ICD) oraz Instytutu Konstrukcji Nośnych i Projektowania Konstrukcyjnego (ITKE) była przyroda. Wzorem dla powstania konstrukcji był sposób, w jaki pająk topik buduje gniazda pod wodą. Pająk ten ze swojej sieci buduje w wodzie gniazdo w kształcie dzwonu, które napełnia powietrzem.
Powstała w ten sposób bańka powietrza zapewnia pająkowi przetrwanie pod wodą. Nawet jaja składane są przez pająka wewnątrz bańki. Zainspirowani tą niepowtarzalną konstrukcją, twórcy pawilonu badawczego zbudowali najpierw delikatną osłonę foliową z tworzywa ETFE, podtrzymywaną przez ciśnienie powietrza. Następnie krok po kroku naklejano na nią od wewnątrz włókna karbonowe, wykorzystując w tym celu robota firmy KUKA z rodziny KR QUANTEC ultra.
Rezultat: lekka jak piórko skorupa wzmocniona włóknami. Nadaje ona pawilonowi formę o wyjątkowej jakości architektonicznej. Ponieważ włókna karbonowe były nakładane wyłącznie w miejscach, gdzie były niezbędne do wzmocnienia konstrukcji, a pneumatyczne szalowanie służy jednocześnie jako funkcjonalnie zintegrowana osłona budynku, proces konstrukcji nie pozostawia odpadów i oszczędza zasoby.
W celu umieszczenia włókien karbonowych na wewnętrznej stronie miękkiej folii opracowano prototyp procesu produkcyjnego z udziałem robota. Układ sterowania robota musiał przy tym sprostać szczególnie wysokim wymaganiom: Sztywność pneumatycznego szalowania ulegała zmianom podczas procesu nakładania włókien, powodując uginające się odkształcenia. W celu dopasowania tych parametrów w toku procesu produkcyjnego bieżące położenie i siła docisku były rejestrowane przez zintegrowany układ czujników i przekazywane w czasie rzeczywistym do układu sterowania robota. Tego rodzaju system cyberfizyczny umożliwia stałe sprzężenie zwrotne między rzeczywistymi uwarunkowaniami produkcyjnymi i cyfrowym generowaniem kodu układu sterowania robota. System ten nie tylko stanowi ważne osiągnięcie w ramach projektu, lecz także ilustruje nowe możliwości procesów konstrukcji z udziałem robotów.
Podczas produkcji nałożono równolegle dziewięć impregnowanych rowingów z włókna karbonowego o łącznej długości 45 km wzdłuż 5-kilometrowej ścieżki ruchu robota, ze średnią prędkością 0,6 m/min. Powierzchnia pawilonu wynosi ok. 40 m², a pojemność ok. 130 m³ przy rozpiętości 7,5 m i wysokości 4,1 m. ‎Łączna masa wynosi zaledwie 280 kg, co odpowiada ciężarowi powierzchniowemu 7 kg/m².  Pawilon powstał na styku badań prowadzonych w obydwu instytutach i praktyk w ramach interdyscyplinarnego i międzynarodowego kierunku studiów ITECH Master. Projekt jest rezultatem półtorarocznej pracy rozwojowej badaczek i badaczy, jak również studentów architektury, nauk inżynieryjnych i przyrodniczych.
Film o projekcie można obejrzeć tutaj: https://vimeo.com/icd/rp14-15