Roboter kooperieren im Holzbau

Medienmitteilung der ETH Zürich vom 22.03.2018

Forschende der ETH Zürich überführen ein neues digitales Holzbauverfahren erstmals von der Forschung in die Praxis. Die von Robotern vorfabrizierten, tragenden Holzmodule kommen in den oberen zwei Geschossen des Bauprojektes DFAB HOUSE zum Einsatz.

Die Digitalisierung hat im Holzbau Einzug gehalten: Ganze Bauelemente werden bereits heute mit computergestützten Anlagen gefertigt. Dabei wird das Rohmaterial zwar von Maschinen zugeschnitten, danach jedoch meist manuell zu einem ebenen Rahmen verbaut. Dieser Fertigungsprozess schränkte die geometrische Gestaltungsfreiheit bis anhin stark ein.

Im Rahmen des Nationalen Forschungsschwerpunktes (NFS) Digitale Fabrikation haben Forschende der Professur für Architektur und Digitale Fabrikation der ETH Zürich nun ein neues, digitales Holzbauverfahren entwickelt. Es erweitert die Möglichkeiten der traditionellen Holzrahmenbauweise, indem es erlaubt, geometrisch komplexe Holzmodule effizient zu realisieren. Spatial Timber Assemblies wurde in enger Zusammenarbeit mit der Erne AG Holzbau entwickelt und wird im DFAB HOUSE auf dem Forschungs- und Innovationsgebäude NEST der Empa und Eawag in Dübendorf erstmals eingesetzt. Gleichzeitig handelt es sich um das erste Mal, dass ein grossmasstäbliches Architekturprojekt mit den Baurobotern des neuen Robotic Fabrication Laboratorys an der ETH Zürich umgesetzt wird.

Mit robotischer Präzision

In einem ersten Schritt nimmt ein Roboter einen Holzbalken auf und führt ihn einer Säge für den Zuschnitt zu. Nach einem automatisierten Werkzeugwechsel bohrt ein zweiter Roboter die erforderlichen Löcher für die Anschlüsse zu den verbindenden Balken vor. Abschliessend kooperieren die beiden Roboter und ordnen die Balken gemäss Computerentwurf präzise im Raum an. Damit es beim Positionieren der einzelnen Holzbalken nicht zu Kollisionen kommt, haben die Forschenden einen Algorithmus entwickelt, der den Bewegungspfad für die Roboter anhand des Baufortschritts fortlaufend neu berechnet. Handwerker verschrauben die Balken anschliessend manuell.

Nachhaltiger und individueller bauen

Im Gegensatz zur traditionellen Holzrahmenbauweise kann bei Spatial Timber Assemblies auf Verstärkungsplatten zur Aussteifung verzichtet werden, denn die erforderliche Steifigkeit und Tragfähigkeit resultiert aus der geometrischen Anordnung. Das spart nicht nur Material, sondern eröffnet auch gestalterisch neue Möglichkeiten. Insgesamt sechs räumliche, geometrisch individuelle Holzmodule werden auf diese Weise erstmals vorfabriziert. Lastwagen bringen sie dann auf die Baustelle des DFAB HOUSE auf dem NEST in Dübendorf, wo sie zu einer doppelstöckigen Wohneinheit mit einer Fläche von mehr als 100 m² zusammengefügt werden. Die komplexe Geometrie des Holzbaus wird dereinst hinter einer lichtdurchlässigen Membranfassade sichtbar bleiben.

Integrierte digitale Bauweise

Die Informationen darüber wie die Holzbalken zugeschnitten und angeordnet werden müssen, beziehen die Roboter aus einem computergestützten Gestaltungsmodell. Dieses wurde eigens ihm Rahmen des Projektes entwickelt und hat auf Basis verschiedener Eingabeparameter eine Geometrie aus insgesamt 487 Holzbalken generiert.

Dass bei Spatial Timber Assemblies nicht nur digital fabriziert, sondern auch entworfen und geplant wird, ist für Matthias Kohler, Professor für Architektur und Digitale Fabrikation an der ETH Zürich und Projektinitiant des DFAB HOUSE, ein entscheidender Vorteil: «Verändert sich etwas im Gesamtprojekt, kann das Computermodell laufend an die neuen Anforderungen angepasst werden. Diese integrierte digitale Bauweise überwindet die Distanz zwischen Entwurf, Planung und Ausführung.»

Erfolgsrezept Wissensaustausch

Bereits beim robotergebauten Holzdach des Arch_Tech_Lab auf dem Campus Hönggerberg arbeitete die ETH Zürich erfolgreich mit Erne AG Holzbau zusammen. Im Rahmen von Spatial Timber Assemblies fliesst nun erneut Holzbauwissen des Unternehmens in die ETH Forschung mit ein.

Kohler ist vom Synergieeffekt dieser Zusammenarbeit überzeugt: «Die digitale Fabrikation ist auf das enorme Wissen, das im Handwerk steckt, angewiesen. Umgekehrt kann die Digitalisierung das Handwerk aufwerten und neue Möglichkeiten eröffnen». Dass die wissenschaftlichen Disziplinen Hand in Hand mit der Industrie arbeiten, sei ausserdem ausschlaggebend dafür, dass Technologien nach so kurzer Zeit bereits in die architektonische Anwendung überführt werden können, so Kohler.

Externer Link: www.ethz.ch

3-D-Fotografie mit Standardkameras: Start-up K-Lens GmbH entwickelt Spezialobjektiv für Foto und Film

Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 08.03.2018

Bisher mussten Fotografen und Filmemacher Spezialequipment anschaffen, wenn sie den Schärfebereich noch nach der Aufnahme verändern oder ein Motiv dreidimensional wiedergeben wollten. Das Start-up K-Lens hat nun ein Spezialobjektiv entwickelt, das jede Standardkamera in eine 3-D-Kamera verwandeln kann. Was als Forschungsprojekt des Max-Planck-Instituts für Informatik und der Universität des Saarlands begann, und mit Hilfe des IT-Inkubators weiterentwickelt wurde, soll ab 2019 als kommerzielles Produkt verfügbar sein.

Bisher war das Erfassen von Tiefeninformationen nur bei Aufnahmen möglich, die mit Kamera-Arrays oder speziellen Lichtfeld-kameras gemacht wurden. Diese nehmen zusätzlich zu den zwei Bilddimensionen auch die Richtung der einfallenden Lichtstrahlen auf. Die Vorteile, wie erweiterter Tiefenschärfebereich, Anpassung von Schärfe und Unschärfe in der Nachbearbeitung, tiefenbasiertes Freistellen und 3-D-Bilder bezahlten die Fotografen und Filmemacher jedoch mit einem hohen Anschaffungspreis und einer umständlichen Arbeitsweise. Das vom Saarbrücker Start-up K-Lens entwickelte gleichnamige Spezialobjektiv, das auf einem Forschungsprojekt des Max-Planck-Instituts für Informatik und der Universität des Saarlandes basiert, ermöglicht nun jedem Fotografen, mit seiner bisherigen Ausrüstung die Vorteile der 3-D-Technik zu nutzen. „Der Vorteil unseres Objektivs ist, dass es mit den heutigen Technikstandards kompatibel ist und daher mit jeder Kamera verwendet werden kann“, erklärt Matthias Schmitz, Gründer und Geschäftsführer. Auf dem Kameramarkt gibt es bisher kein Objektiv, das mit den Möglichkeiten der K-Lens mithalten kann. Es biete nicht nur vollständige Kontrolle von Schärfe und Unschärfe, tiefenbasiertes Freistellen, Perspektivwechsel und 3-D-Aufnahmen, sondern auch vollständigen Zugang zu den Tiefenebenen der Aufnahme.

„Kein Foto muss mehr wegen Fokussierungsfehlern in den digitalen Papierkorb wandern, ein häufiges Problem, beispielsweise in der Makrofotografie. Motiv-Reihen, wie in der Produktfotografie, können schneller abfotografiert und Bildobjekte schneller freigestellt werden“, erläutert Klaus Illgner. Der promovierte Ingenieur und enthusiastische Hobby-Fotograf ist bei K-Lens für die technische Entwicklung zuständig. Neue Effekte, wie beispielsweise Schärfe und Unschärfe in der gleichen Bildebene, ließen sich ebenfalls mit der K-Lens realisieren. Die dazu notwendige Nachbearbeitungssoftware liefert das Start-up-Unternehmen mit.

Das Produkt soll eine Länge unter 20 cm und ein Gewicht von maximal 800 g haben und entspricht damit gängigen aus der Hand nutzbaren Zoomobjektiven. Kernstück ist der sogenannte „Image Multiplier“, ein Spiegelsystem, das kaleidoskopartig verschiedene Perspektiven auf das gleiche Motiv oder die gleiche Szene erzeugt, die dann simultan auf den Kamerasensor projiziert werden. Eine von K-Lens entwickelte Software generiert daraus dann das Lichtfeldbild.

Die weltweite Patentierung zum Schutz dieses Verfahrens läuft bereits. Nach erfolgter Anerkennung in den USA erwarten Matthias Schmitz und seine vier Kollegen das Patent für die weiteren Märkte noch in diesem Jahr. Nach zwei Jahren Entwicklungsarbeit im IT-Inkubator, einer Einrichtung der Universität des Saarlandes und Max Planck Innovation auf dem Saarland Informatics Campus wird das fünfköpfige Team seit Oktober 2017 durch die saarländische Wagnisfinanzierungsgesellschaft (SWG) finanziert. Doris Woll, Geschäftsführerin der SWG, freut es, dass mit der Beteiligung ein innovatives Unternehmen im Saarland entstanden ist und die Markteinführung der K-Lens-Technologie an dem Ort gefördert wird, an dem sie auch maßgeblich entwickelt wurde. „Perspektivisch werden hier neue, anspruchsvolle und attraktive Arbeitsplätze in einem innovativ-technologischen Umfeld entstehen“, so Doris Woll. „Dies ist das Ziel bei allen Investments, die von der SWG begleitet werden.“ Gleichzeitig arbeitet K-Lens in einem Forschungsprojekt mit, über das eine kommerzielle Lichtfeldkamera für die professionelle Filmindustrie realisiert werden soll. Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderte Projekt hat ein Projektvolumen von 2,7 Millionen Euro. „Langfristig empfänden wir eine strategische Kooperation mit einem der Marktführer wie Sony, Nikon oder Canon als interessant, um von deren Produktions-Know-How und internationalem Vertriebs- und Servicemodel zu lernen“, erklärt Matthias Schmitz. Das erste rein fotografisch ausgelegte K-Lens-Spezialobjektiv wollen die Gründer noch in diesem Jahr als Prototyp präsentieren.

Der Volljurist und Diplombetriebswirt Mathias Schmitz blickt auf 15 Jahre Berufserfahrung hauptsächlich in der Unternehmensberatung bei PricewaterhouseCoopers zurück und ist bei K-Lens für die Geschäftsfeldentwicklung zuständig. Für die technische Entwicklung ist Dr. Klaus Illgner verantwortlich. Der promovierte Ingenieur verfügt über umfangreiche Erfahrung in der Bild- und Videotechnik, unter anderem durch Stationen bei Texas Instruments und Siemens sowie in der audiovisuellen Medientechnikentwicklung bei der IRT GmbH.

Externer Link: www.uni-saarland.de

Wie die Zellstruktur das Immungedächtnis orchestriert

Medienmitteilung der Universität Basel vom 08.03.2018

Bei jeder Infektion oder Impfung bilden sich Gedächtniszellen, mit denen sich der Körper an den Erreger erinnert. Diese Erkenntnis ist jahrzehntealt – doch strukturell fassen liess sich das zelluläre Immungedächtnis bisher nicht. Forschende von Universität und Universitätsspital Basel haben nun eine mikroanatomische Region in Gedächtniszellen identifiziert, die ein rasches Funktionieren in den ersten Stunden der Immunantwort ermöglicht, berichten sie in der Fachzeitschrift «Immunity».

Das Abwehrsystem des menschlichen Körpers erinnert sich an krankmachende Erreger und kann bei erneutem Kontakt viel schneller reagieren. Impfungen sind ein Paradebeispiel dafür, wie uns das Immungedächtnis vor Infektionskrankheiten schützen kann. In seiner Funktion und seiner Wirkung ist das immunologische Gedächtnis damit gut fassbar – der Mensch bleibt gesund, obwohl er dem Erreger ausgesetzt ist. Doch spezifische zelluläre Strukturen, die das Immungedächtnis ermöglichen, blieben bislang verborgen.

Forschende einer internationalen Gruppe um Prof. Dr. Christoph Hess vom Departement Biomedizin von Universität und Universitätsspital Basel haben nun eine Struktur gefunden, die das rasche Immungedächtnis bestimmter Abwehrzellen (CD8-T-Zellen) ausmacht: Diese wichtigen Gedächtniszellen verfügen über zahlreiche Verbindungen zwischen Mitochondrien – den Kraftwerken der Zelle – und dem sogenannten endoplasmatischen Retikulum, dem Ort der Eiweissproduktion.

Rasche Immunantwort

An diesen Verbindungen wird die rasche Immungedächtnis-Antwort buchstäblich «orchestriert», so die Forschenden. Die Gedächtniszellen konzentrieren hier all jene Signalübertragungs-Moleküle und Enzyme, die für eine schnelle Immunantwort des Körpers nötig sind – und sind damit bereit, wenn der Organismus erneut dem krankmachenden Erreger ausgesetzt ist. So kann der Körper rasch vor dieser Infektion geschützt werden.

«Ein präzises Verständnis der Strukturen, die das Immungedächtnis ausmachen, ist eine wichtige Grundlage dafür, die Immunantworten in Zukunft gezielt zu stärken – etwa bei Impfungen und in der Krebsbekämpfung – oder zu dämpfen, wie etwa bei Autoimmunerkrankungen. Es ist faszinierend, wie auch hier der von Louis Sullivan 1896 geschriebene Grundsatz gilt ‹Form ever follows function›», kommentiert Studienleiter Christoph Hess die Resultate.

Originalbeitrag:
Glenn R. Bantug, Marco Fischer, Jasmin Grählert, Maria L. Balmer, Gunhild Unterstab, Leyla Develioglu, Rebekah Steiner, Lianjun Zhang, Ana S.H. Costa, Patrick M. Gubser, Anne-Valérie Burgener, Ursula Sauder, Jordan Löliger, Réka Belle, Sarah Dimeloe, Jonas Lötscher, Annaïse Jauch, Mike Recher, Gideon Hönger, Michael N. Hall, Pedro Romero, Christian Frezza, and Christoph Hess
Mitochondria–Endoplasmic Reticulum contact sites function as immunometabolic hubs that orchestrate the rapid recall response of memory CD8 T cells
Immunity (2018), doi: 10.1016/j.immuni.2018.02.012

Externer Link: www.unibas.ch

Die Brücke, die sich dehnen kann

Presseaussendung der TU Wien vom 19.02.2018

Brücken verformen sich, daher baut man normalerweise Dehnfugen ein. An der TU Wien wurde eine Technik entwickelt, die ohne Fugen auskommt und dadurch viel Geld und Aufwand spart.

Wer im Auto mit flottem Tempo über eine Brücke fährt, spürt es sofort: Meist rumpelt man am Anfang und am Ende der Brücke über eine Dehnfuge, die dort eingebaut werden muss, weil sich die Brücke je nach Temperatur ausdehnt und zusammenzieht. Gerade diese Fugen sind teuer und wartungsintensiv. An der TU Wien wurde daher eine Brückenvariante entwickelt, bei der auf diese Dehnfugen verzichtet wird. Die Technik wurde von der ASFINAG beim Bau der Satzengrabenbrücke an der Nordautobahn erstmals eingesetzt. Nun hat die dehnfugenlose Brücke ihren ersten Winter überstanden. Die Messergebnisse zeigen, dass die neue Technik bestens funktioniert.

Drohende Winterschäden

„Kleinere Distanzen überbrückt man gerne mit sogenannten integralen Brücken – das sind monolithische Bauwerke, bei denen es keine getrennten Teile gibt, die sich gegeneinander verschieben könnten“, erklärt Prof. Johann Kollegger vom Institut für Tragkonstruktionen der TU Wien. Bei längeren Brücken ist das normalerweise nicht möglich, denn der Beton kann sich abhängig von der Temperatur ausdehnen oder zusammenziehen. Bei einer Brücke mit einer Länge von 100 Metern ergeben sich schon einige Zentimeter Längenunterschied zwischen Sommer und Winter, rechnet Kollegger vor – und das ist zu viel. Besonders im Winter, wenn sich der Beton zusammenzieht, können schwere Schäden in der Asphaltfahrbahn entstehen. Im Sommer ist die Gefahr geringer, weil das Material bei höheren Temperaturen formbarer wird.

Mit Dehnfugen lässt sich das Problem beheben: Die Brücke besteht dann aus mehreren Teilen, die sich in einem gewissen Ausmaß frei gegeneinander verschieben können – doch diese Dehnfugen sind ein typischer Schwachpunkt moderner Brückenbauten. Sie brauchen immer wieder Wartung, müssen manchmal ausgetauscht werden, und sind die Ursache für etwa 20 % der Brücken-Instandhaltungskosten. „Da sind allerdings die volkswirtschaftlichen Schäden noch gar nicht mitberücksichtigt, die durch Umleitungen, Staus und Verkehrsbehinderungen anfallen“, fügt Kollegger hinzu.

Wie Perlen auf der Gummischnur

Daher entwickelte man an der TU Wien eine Alternative: Statt die Verformung in einzelnen Fugen am Anfang und am Ende der Brücke aufzunehmen, verteilt man die Verformung auf einen größeren Bereich. 20 bis 30 Betonelemente werden hintereinander aufgereiht und mit Seilen aus einem speziellen Glasfaser-Werkstoff miteinander verbunden. Die Konstruktion ähnelt einer Kette von Perlen, die auf einem Gummiband aufgefädelt sind: Wenn daran gezogen wird, erhöht sich der Abstand zwischen allen Perlen gleichmäßig im selben Ausmaß. Wenn sich die Brücke im Winter verkürzt, entstehen zwischen benachbarten Betonelementen kleine Spalten – allerdings nur im Millimeterbereich, sodass diese keine Gefahr für die Asphaltfahrbahn darstellen.

Der fugenlose Fahrbahnübergang wurde von der TU Wien, mit Unterstützung durch ihre Abteilung „Forschungs- und Transfersupport“ patentiert. Maßgeblich beteiligt an der Entwicklung war auch Dr. Bernhard Eichwalder, der mehrere Jahre lang im Team von Johann Kollegger forschte und im Jahr 2017 den FSV-Preis für seine Dissertation erhielt.

Wichtig war außerdem, eine passende Asphaltmischung zu entwickeln, mit der man die Betonelemente bedecken kann. Sie muss flexibel genug sein, um die millimeterkleinen Bewegungen mitzumachen, ohne dabei rissig zu werden. Diese Aufgabe übernahm das Team von Prof. Ronald Blab vom Institut für Verkehrswissenschaften der TU Wien.

Pilotprojekt in Niederösterreich

Die Autobahnen- und Schnellstraßen-Finanzierungs-AG ASFINAG war von Beginn an am Projekt beteiligt und war somit auch der erste Bauträger, der die neuen Erkenntnisse umsetzen durfte: Als Teil der Nordautobahn A5 zwischen Schrick und Poysbrunn im Norden Niederösterreichs wurde die 112 Meter lange Satzengrabenbrücke errichtet – die nun längste integrale Brücke Österreichs.

Nachdem es sich um ein erstes Pilotprojekt handelte, entschied man sich dafür, ein umfangreiches Monitoringprogramm zu installieren. So können wertvolle Erfahrungen gesammelt werden. Nun, nachdem die kälteste Zeit des Jahres vorüber ist und die Daten ausgewertet wurden, lässt sich eine positive Bilanz ziehen: „Unsere theoretischen Berechnungen zur Aufteilung der Verformungen auf die einzelnen Betonelemente konnten durch die Messungen bestätigt werden“, berichtet Dr. Michael Kleiser, der zuständige Experte für Brückenbau bei der ASFINAG. So steht nun dem Einsatz der neuen Technik für weitere Brückenbauten nichts mehr im Weg. Das Team hofft, dass sich die neue Methode nicht nur in Österreich, sondern auch in anderen Staaten bald durchsetzt. (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

QUAR – Künstliche Intelligenz für die Industrie 4.0

Pressemeldung der Universität Passau vom 21.02.2018

Motorblöcke werden bereits weitgehend vollautomatisiert produziert. Das Institut FORWISS an der Universität Passau entwickelt ein intelligentes System, um die Überwachung eines Teils dieser Prozesse ebenfalls zu automatisieren: Mit Hilfe von maschinellem Lernen soll das System genaue Vorhersagen über den Verschleißzustand von Bearbeitungsmaschinen treffen können.

Die Fertigung von Motorblöcken aus Aluminium funktioniert ohne menschliche Handgriffe: Nach dem Guss entkernen und bearbeiten Roboter die Gussteile vollautomatisiert. Mehrere Bearbeitungsstationen gehören zu einer Anlage, die jeweils auf Teilaufgaben spezialisiert sind.

Bei der Vorentkernung beispielsweise schlagen zwei Presslufthämmer gleichzeitig auf ein Bauteil ein, um den Sand der innen liegenden Sandkerne zu lockern. „Diese Hämmer arbeiten stets an ihrer eigenen Belastungsgrenze und der des Bauteils“, erklärt Dr. Erich Fuchs, Geschäftsführer des Instituts für Softwaresysteme in technischen Anwendungen der Informatik (FORWISS Passau). Und die Arbeit muss exakt erfolgen. „Wenn die Hämmer nur fünf Millimeter daneben einschlagen, beschädigt das womöglich den Motorblock.“

Hinzu kommt ein weiteres Risiko: Sollte eine der in der Prozessreihe liegenden Maschinen ausfallen, steht die gesamte Anlage mit all ihren 13 Stationen still, in der mehrere Motorblöcke gleichzeitig bearbeitet werden. Es kommt also zu kostenintensiven Ausfällen.

Intelligentes System wird auf bestimmte Signale trainiert

Hier setzt das Projekt „Vorausschauende Instandhaltung und Qualitätssicherung in der Rohteilbearbeitung – QUAR“ an: Die Forscherinnen und Forscher wollen mit Hilfe von künstlicher Intelligenz ein voll automatisiertes Überwachungssystem entwickeln. Das System soll durch Methoden des maschinellen Lernens darauf trainiert werden, genaue Vorhersagen zu treffen, wann womöglich beispielsweise die Hämmer nicht mehr korrekt arbeiten oder ausfallen könnten.

Dazu identifizieren die Forscherinnen und Forscher Signale, die auf solche Ausfälle hindeuten könnten. Mechanische Veränderungen bei den Presslufthämmern geschehen schleichend und sind schwer zu beobachten. Sie führen aber auch zu Abweichungen in den Prozessen. Die Forscherinnen und Forscher versuchen, diese mit Hilfe von Vibrationssensoren oder über die Stromaufnahme oder weitere Sensoren messbar zu machen.

Das Team trägt also alle verfügbaren Informationen zusammen und füttert das intelligente System damit. So sollen in der Rohteilbearbeitung zukünftig ungeplante Stillstandszeiten vermieden werden. Das System soll optimale Zeitpunkte ermitteln, zu denen kritische Komponenten ausgewechselt werden müssen. Das Projekt QUAR trägt mit diesem intelligenten Überwachungs- und Instandhaltungssystem einen Baustein zur Digitalisierung des gesamten Produktionsprozesses bei.

Beteiligte und Förderung

Prof. Dr. Tomas Sauer, Inhaber des Lehrstuhls für Mathematik mit Schwerpunkt Digitale Bildverarbeitung, leitet das Projekt zusammen mit FORWISS-Geschäftsführer Dr. Erich Fuchs. Das Institut bearbeitet den theoretischen Teil, also etwa die Auswahl und Umsetzung geeigneter Lernverfahren und deren mathematische Modellierung. Projektpartner aus der Industrie ist die Firma R. Scheuchl GmbH mit Sitz in Ortenburg, die als Hersteller von Spezialmaschinen für den kompletten Aufbau und den Testbetrieb der Anlage zur Rohteilverarbeitung zuständig ist. Das Bayerische Staatsministerium für Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie fördert das Vorhaben mit Mitteln aus dem Forschungs- und Entwicklungs-Programm „Informations- und Kommunikationstechnik“ des Freistaates Bayern. (Katrina Jordan)

Externer Link: www.uni-passau.de