Quelle: Empa 21. September 2022.

21. September 2022 – 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.

Wie das 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, mit einer Cover-Story im Wissenschaftsmagazin «Nature» berichtet, besteht das System mit dem Namen «Aerial Additive Manufacturing» (Aerial-AM) aus einer Flotte von Drohnen, die für einen einzigen Bauplan zusammenarbeiten. Dazu gehören sogenannte «BuilDrones», die während des Fluges Materialien drucken und an den vorgesehenen Stellen platzieren, und «ScanDrones». Sie dienen der Qualitätskontrolle, erfassen kontinuierlich die Leistungen der «BuilDrones» 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», der den Prozess beobachtet und bei Bedarf Anpassungen vornimmt – auf der Grundlage der von den Drohnen gelieferten Informationen.

Tests mit Zylindern aus zwei Materialien
Um das Konzept zu testen, entwickelten die Forscher vier zementähnliche Mischungen, mit denen die Drohnen bauen sollten. Die Probedrucke umfassten einen rund zwei Meter hohen Zylinder aus 72 Schichten eines Schaumstoffs auf Polyurethanbasis und einen 18 Zentimeter 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 fünf Millimetern einhalten.
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.

Originalpublikation
K Zhang, P Chermprayong, F Xiao, D Tzoumanikas, B Dams, S Kay, B Bahadir Kocer, A Burns, L Orr, C Choi, D Dattatray Darekar, W Li, S Hirschmann, V Soana, S Awang Ngah, S Sareh, A Choubey, L Margheri, V M Pawar, R J Ball, C Williams, P Shepherd, S Leutenegger, R Stuart-Smith, M Kovac; Aerial Additive Manufacturing with Multiple Autonomous Robots; Nature (2022); doi: 10.1038/s41586-022-04988-4
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04988-4

3D-Druck mit Drohnen
Video zum Forschungsprojekt, zu Resultaten und Aussichten (auf englisch)

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Quelle: Universität Würzburg.

25. Januar 2022 – Am frühen Morgen des 15. Januar 2022 brach im Pazifik der Unterwasservulkan Hunga Tonga aus. Am Abend wurden die Luftdruckwellen der Explosion von Messgeräten des Deutschen Wetterdienstes über Deutschland registriert: zuerst im Norden auf Helgoland, 38 Minuten danach auch im Süden, in Hohenpeißenberg.

Nachdem die Druckwelle den Globus umrundet hatte und über Algerien aufeinandergeprallt war, kam es wenige Stunden später zur einer Gegenwelle aus südlicher Richtung.

Diese beiden Hauptdruckwellen wurden auch von den rund 70 aktiven Bienenstöcken des Projekts we4bee registriert, die mit Luftdrucksensoren ausgestattet und über ganz Deutschland verteilt sind. Ein Forschungsteam um Informatik-Professor Andreas Hotho von der Uni Würzburg hat die Wellen auf einer Landkarte visualisiert. Das Ergebnis (animierte gifs) ist auf den Webseiten der Informatik veröffentlicht.

Bienen als Biosensoren
In den High-Tech-Bienenstöcken von we4bee stecken nicht nur Luftdrucksensoren, sondern viele weitere Messgeräte. Sie erfassen unter anderem Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Schall, Vibration und Feinstaubbelastung. Gleichzeitig werden Wetterdaten aufgezeichnet.

An Andreas Hothos Lehrstuhl für Data Science werden die Daten gesammelt und analysiert, auch mit Methoden des maschinellen Lernens. Damit sollen Muster im Verhalten von Bienenvölkern erkennbar und möglichst auch vorhersagbar werden. Die Analysen kommen der Forschung und der Lehre ebenso zugute wie der Imkerei: Hothos Team hat bereits ein Modell erstellt, mit dem sich sehr gut automatisch erkennen lässt, zu welchem Zeitpunkt ein Bienenvolk ausschwärmt.

Fakten zu we4bee
Zu den Zielen des we4bee-Projekts gehört es, mit Bienen als Biosensoren künftig Unwetter, Trockenperioden oder Erdbeben vorhersagen zu können. Denn aus dem Verhalten des Insektenstaats lässt sich womöglich frühzeitig ablesen, ob Extremwetter oder Naturkatastrophen drohen. Das Projekt verfolgt außerdem Ziele der Umweltbildung: Seine Bienenstöcke stehen zum großen Teil an Schulen und können dort mitsamt ihres Daten-Outputs für den Unterricht genutzt werden.

we4bee wurde von dem emeritierten Würzburger Biologieprofessor Jürgen Tautz ins Leben gerufen. Er leitet das Projekt gemeinsam mit Andreas Hotho und der Geschäftsführerin Dr. Claudia Leikam, die unter anderem für die Betreuung der Bienenstöcke an den Schulen zuständig ist. Anfangs wurde we4bee von der Audi Stiftung für Umwelt gefördert (2018/2019), der aktuelle Förderer ist das Bayerische Staatsministerium für Digitales.

Webseite we4bee: https://we4bee.org/ .

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