Robotik
Digitale Fertigungsprozesse: Vom digitalen Modell zum realen Objekt - Anwendungsfall architektonischer Modellbau
IN KÜRZE VERFÜGBAR
Digitale Fertigungsprozesse sind inzwischen allgegenwärtig. Durch die Möglichkeiten von CNC, 3D Druck und Robotik, kombiniert mit klassischem Modellbau haben sich neue Produktionswege zur Darstellung von Architektur in der Realität eröffnet. Die Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig: von kleinmaßstäblichen Stadtmodellen, über detaillierte Architekturmodellierung, bis zu 1:1 Objekten in der Ausführung.
Implementierung in den Arbeitsalltag
Grundsätzlich arbeitet unser Büro mit digitalen, dreidimensionalen Gebäudemodellen. Durch moderne Planungs- und 3D Zeichenprogramme lassen sich komplexe Gebäude sowie Geometrien effizient erstellen und so der Arbeitsablauf in der Architektur maßgeblich verbessern und beschleunigen. Die Vorteile, die durch eine solche Arbeitsweise entstehen, beschränken sich allerdings hauptsächlich auf die digitale Welt. Wieso es dabei belassen?
Moderne digitale Fertigungsprozesse bieten eine gute Möglichkeit eine Idee Realität werden zu lassen. So dienen CNC, 3D Druck und Robotik für uns als Schnittstelle zwischen dem Digitalen und dem Echten. Wir können auf diesem Weg präzise Modelle in Maßstäben aller Leistungsphasen ohne größeren Zeit- und Arbeitsaufwand anfertigen.
Das grundlegende Ziel war es, die uns zur Verfügung stehenden Geräte möglichst in den bestehenden Workflow und in unsere Infrastruktur zu implementieren, sodass jeder Mitarbeiter ein Modell mit den bei uns verwendeten Programmen erstellen kann. So wird eine breite Anwendung der Möglichkeiten gewährleistet, ohne eine weitere Belastung durch neue komplexe Programme zu erzeugen.
Für die Realisierung der Modelle kommt entweder ein additives, z.B. 3D Druck, oder ein subtraktives Verfahren infrage. Im Folgenden wollen wir auf ein subtraktives Verfahren mit einem sechsachsigen Roboterarm eingehen.
Der Ablauf
In Vorbereitung auf die Anwendbarkeit der Methode, wurde ein Skript mit einer grafischen Programmierumgebung erstellt, welches aus einfachen Polylinien einen Pfad für den Roboterarm erstellt. Die Datenquelle ist immer eine dreidimensionale Geometrie, welche als Vorlage für das Endprodukt dient. Dabei ist der einfachste und direkteste Weg, den erdachten Pfad unmittelbar als Linien im CAD-Programm zu zeichnen. Als Beispiel kann die Geometrie mit einem 3D-Zeichenprogramm wie SketchUp erstellt und in Revit importiert werden. Nun zeichnet man die Konturen mit Linien auf mehreren Layern nach und passt den Abstand auf die Hälfte des Fräskopfdurchmessers an. Bei einem 8mm Fräskopf ist ein 4mm Versatz nötig, damit die erdachte Kontur exakt erhalten bleibt. Schließlich kann über Rhino.Inside auf die Programmieroberfläche von Grasshopper zugegriffen werden, auf welcher die Analyse der Linien und Ausgabe des Pfades durchgeführt wird.
Denkbar sind mit dieser Methode einfache Topografien sowie Gravuren und freie Plattenzuschnitte.
Komplexere Modelle
Darüber hinaus kann ein Algorithmus dazu genutzt werden, um einen Pfad auf komplexeren Oberflächen, wie sphärischen und nicht euklidischen Flächen zu finden. Dieser kann dann wiederum in das Standardskript eingespeist werden. Dieser läuft in zwei Schritten ab, welche sich später auch im Arbeitsablauf der Fräse wiederfinden.
Nehmen wir an, dass aus einem massiven Holzstück ein Umgebungsmodell erstellt werden soll. So muss zum einen die Kubatur des Blocks und die Geometrie der Umgebung, mit passendem Detailgrad, im CAD-Programm modelliert werden. Nun wird die Umgebungsgeometrie von der Rohform subtrahiert und übrig bleibt das zu entfernende Volumen. Dieses wird abhängig von dem Fräskopfdurchmessers (z.B. 12mm) gerastert, um eine Punktwolke zu erzeugen aus der der Algorithmus einen Pfad für den Fräsvorgang errechnet. Allgemein wird dieser Vorgang als Schrubben bezeichnet.
Wenn die Modellierung der Umgebung einen Fräskopfwechsel auf einen kleineren Durchmesser (z.B. 2mm) erfordert, um feinere Strukturen zu erzeugen, kommt der zweite Schritt ins Spiel. Das Schlichten. Dieses Mal wird die endgültige Oberfläche des Modells gerastert. Der Algorithmus errechnet erneut einen Pfad durch die erstellten Punkte und übrig bleibt ein präzises, monolithisches Modell.
Das Ende?
Bis zu diesem Detailgrad bewegen wir uns in einem Workflow, der von jedem Mitarbeiter ohne weiteres in die Wege geleitet und umgesetzt werden kann. Um nun noch komplexere Geometrien umzusetzen, muss zu CAM fähigen Programmen gewechselt werden, wie z.B. Fusion360.
Diese benötigen allerdings einen vertieften Kenntnisstand, um effektiv arbeiten zu können. An dieser Stelle verlassen wir den für unseren Büroalltag interessanten und anwendbaren Bereich der Architekturmodellierung.
