Innovatives Bauen mit Carbonbeton und AS-Interface
Bild: Stephan Flad, HTWK Leipzig
Carbonbeton gilt als Baustoff der Zukunft. Er kann recycelt werden und ist deutlich nachhaltiger, ökologischer, langlebiger sowie effizienter als Stahlbeton. Carbonbeton spart Ressourcen wie Sand und Zement und hat eine deutlich bessere CO₂-Bilanz. Häuser aus Carbonbeton zeichnen sich durch sehr dünne Wände aus, bei gleicher Festigkeit. In diesen innovativen Wänden ist die Heizungs- und Elektroinstallation ein integraler Bestandteil. Die Elektroinstallation – 230 V Versorgung und Gebäudekommunikation – wird gleich bei der Herstellung der Fertigteile in den Carbonbeton integriert. Als Kommunikations- und Gebäudeautomatisierungssystem kommt hier die ASi-5 Technologie zum Einsatz. Über die „gelbe Leitung“ kommunizieren die verschiedenen Sensoren und Aktoren im Gebäude, auch ihre Stromversorgung erfolgt darüber. Die ASi-Technologie überzeugt vor allem durch ihr geniales Anschlusssystem, das ein einfaches Anschließen, Austauschen, Versetzen oder Hinzufügen von Teilnehmern erlaubt. Die Herstellung der Fertigteile erfolgt in einer weltweit einzigartigen Modellfabrik, dem „Carbonbetontechnikum“ der HTWK Leipzig (Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur). In den Fertigungsanlagen des Technikums wurde ebenfalls AS-Interface implementiert – sowohl für die Anlagen- und Sicherheitstechnik. Wie man sieht: AS-Interface überzeugt nicht nur in der industriellen Kommunikation, sondern auch bei der Gebäudeautomation auf ganzer Linie. Architekten erhalten mit dem innovativen Carbonbeton neue Möglichkeiten ihre Ideen umzusetzen, das gleiche gilt für die Gebäudeautomatisierer mit dem Einsatz der ASi-Technologie.
Ob serielles oder individuelles Bauen – Carbonbeton überzeugt in beiden Welten und wird die Zukunft des Bauens nachhaltig verändern. Durch seine in der Fabrik vorgefertigten Elemente sorgt serielles Bauen für bezahlbaren Wohnraum und rückt so wieder verstärkt in den Fokus. Beim individuellen Bauen können Architekten Gebäude mit einer charakteristischen, ausdrucksvollen Formensprache umsetzen. Der Verbundwerkstoff „Carbonbeton“ spielt seine Vorteile sowohl beim seriellen wie auch beim individuellen Bauen aus.
Carbonbeton ist eine Materialkombination, die es auf der einen Seite erlaubt schlanker zu konstruieren und eine neue Formensprache umzusetzen. Auf der anderen Seite ermöglicht der Werkstoff ein platzeffizientes und wirtschaftliches bauen. Dazu werden in der Fabrik Fertigteile produziert. Bei ihnen wird anstelle des Stahls eine Bewehrung aus Carbon verwendet. So entsteht Carbonbeton. Die Carbonfaser ist chemisch inert und hat somit kein Problem mit Korrosion. Das hilft die Dauerhaftigkeit der Bauwerke abzusichern und technisch sowie wirtschaftlich verlässliche Konstruktionen zu schaffen. Darüber hinaus kann man mit dieser Bewehrung deutlich freier konstruieren. Im Vergleich zu Stahlbeton spart Carbonbeton bei gleicher Leistungsfähigkeit bis zu 80% Material. So entstehen insgesamt deutlich dünnere und leichtere Wände. Für diese Wände benötigt man weniger Energie für Herstellung, Transport und Logistik.
Bild: filmaton®: Im Vergleich zu Stahlbeton (großer Würfel links) spart Carbonbeton
(kleiner Würfel und Platte) bei gleicher Leistungsfähigkeit bis zu 80 Prozent Material.
Der neue Baustoff spart im Vergleich zu Stahlbeton Ressourcen wie Zement, Sand, Kies und Wasser. Er hat eine deutlich bessere CO₂-Bilanz.
Carbonbeton – Basis für eine geniale Wandkonstruktion mit integrierter Elektro- und Kommunikationstechnik
An der HTWK Leipzig werden beispielsweise multifunktionale, genormte Bauteile aus Carbonbeton für den Wohnungs- und Industriebau entwickelt und erforscht. Im Carbonbetontechnikum erfolgt die automatisierte Fertigung der Carbonbetonbauteile. Es sollen Fertigungsverfahren für das Bauwesen der Zukunft erprobt werden. Dabei wollen die forschenden Entwicklungs-Partner Carbonbetonteile zusätzlich mit Funktionen versehen und setzen dafür unter anderem auf den Kommunikationsstandard AS-Interface.
Häuser, die aus Carbonbeton gefertigt sind, haben sehr dünne Wände. Viel Platz für die zahlreichen Installationsleitungen, die sonst darin verbaut werden, bleibt nicht. Leitungen, Kabelkanäle, Verteiler und Unterverteiler sollten schon in der Bau- und Installationsphase reduziert werden. Hier kommt AS-Interface als Kommunikationstechnologie ins Spiel. Die „gelbe Leitung“ kommt von der Rolle. Dadurch kann sie applikationsspezifisch sowie passgenau abgelängt und mit einem Kunststoffhalter direkt zu dem Carbongeflecht hinzugefügt werden – ohne zusätzliche Installationsrohre. Einfacher, platzsparender, flexibler und sicherer lässt sich eine Verdrahtung in der Fertigung von Carbonbetonteilen derzeit nicht realisieren. Ein weiterer Vorteil: AS-Interface überzeugt durch sein geniales Anschlusssystem, der Piercing-Anschlusstechnologie. Das System erlaubt ein einfaches Anschließen, Austauschen, Versetzen oder Hinzufügen von Komponenten – sicher, schnell und kostengünstig. Dazu wird die gelbe Leitung einfach in die Kommunikationsdose eingelegt und über die beiden Piercing-Stifte kontaktiert.
Die zahlreichen Sensoren und Aktoren der Gebäudeautomation kommunizieren über die gelbe Profilleitung miteinander. Auch ihre Stromversorgung erfolgt über diese Leitung. Das spart Material und macht das System ausgesprochen robust sowie fehlersicher. Der Installationsaufwand auf der Baustelle lässt sich deutlich minimieren. Außerdem ist die Gestaltungsflexibilität weitaus umfangreicher, bezogen auf die angeschlossenen Komponenten, wie z.B. Schalter, Dimmer, LED-Beleuchtungen, Temperaturfühler, Luftgütesensoren, Helligkeitssensoren.
Das vom „BMWi“ geförderte Verbundvorhaben „WallConnEct – Entwicklung Ressourceneffizienter Wandkonstruktionen mit integrierter Elektro- und Datentechnik auf Basis von AS-Interface“ (KKZ.: 03LB2037C) beschäftigt sich mit genau dieser Thematik. Im Projekt arbeiten folgende Partner zusammen: Sondermaschinenbau Engelsdorf, Bihl+Wiedemann sowie die HTWK Leipzig. Untersucht werden ebenfalls die automatisierte Fertigung von Thermodoppelwandelementen mit integrierter ASi-Technologie. Dabei werden die speziell entwickelten Leerdosen automatisiert in die Schalung eingesetzt, sowie robotergestützt die ASi-Leitung und die 230 Volt Versorgungsleitungen mit abgelegt. Der komplette Prozess geschieht im Werk. Das Schlitze stemmen und Dosenlöcher bohren auf der Baustelle entfällt. Dort müssen lediglich die Schuko Steckdosen angeklemmt und die ASi-Buskopplermodule eingeklippst werden.
Bild: Tobias Rudloff, HTWK Leipzig
Innerhalb des Verbundprojekts wurden bereits mit der ASi-Technologie schaltbare Steckdosenprototypen entwickelt. Mit ihnen ist gleichzeitig ein gezieltes Energiemonitoring jeder einzelnen Steckdose möglich.
Das Carbonbetontechnikum – die Modellfabrik für Fertigteile aus Carbonbeton
Beim Carbonbetontechnikum in Leipzig-Engelsdorf handelt es sich um eine weltweit einzigartige Modellfabrik der HTWK Leipzig. In ihr werden effiziente Prozesse zur automatischen Fertigung von Carbonbetonbauteilen erforscht und erprobt. Es sollen Fertigungsverfahren für das Bauwesen der Zukunft entstehen.
Bild: Kirsten Nijhof, HTWK Leipzig: Das Carbonbetontechnikum in Leipzig-Engelsdorf,
eine einzigartige Modellfabrik der HTWK Leipzig.
Carbonbeton und Stahlbeton haben zwar vergleichbare Anwendungsgebiete, jedoch müssen alle Produktionsschritte und Maschinen an den neuen Baustoff angepasst und teilweise völlig neu gedacht werden. Im Carbonbetontechnikum wird den Bauunternehmen gezeigt, wie sie ihre Produktionsstätten gestalten müssen, um Carbonbetonbauteile produzieren zu können.
Automatisierte Fertigung spart Ressourcen und Kosten
Drei Industrieroboter und 64 Meter an Rolltischen sorgen im Carbonbetontechnikum dafür, dass die Fertigung von bis zu 3,125 Meter breiten und 1,25 langen Bauteilen automatisch abläuft. Die fertigen Bauteile können an einem speziell entwickelten Kipptisch per Kran entnommen werden.
Im Carbonbetontechnikum fertigt ein Roboter die Bewehrung aus Carbon individuell vor Ort. Dazu legt er innerhalb von wenigen Minuten Carbongarn gitterförmig zu genau der Geometrie, die für ein bestimmtes Bauteil benötigt wird. Das ist ein großer Fortschritt: Denn bislang werden vorgefertigte Carbonmatten verwendet, mit entsprechendem Zuschnitt. Durch die direkte Garnablage spart man nicht nur Transportwege, sondern auch bis zu 40 Prozent des teuren und energieintensiven Materials Carbon. Die direkte Garnablage ist eine Schlüsseltechnologie, denn sie ermöglicht es, dass man zusätzliche Funktionen wie Heizelemente und die Elektroinstallation direkt in das Bauteil Integrieren kann.
Bild: Stephan Flad, HTWK Leipzig
Die ideale Automatisierungstechnologie: AS-Interface im Carbonbetontechnikum
AS-Interface ist ein wichtiger Teil der Automatisierungsstrategie im Carbonbetontechnikum, und stellt eine perfekte Automatisierungslösung für die Fertigung dar. AS-Interface ist ein System für die industrielle Kommunikation mit sicherer Datenübertragung und gleichzeitiger Energieversorgung. Das System ist einfach, schnell und flexibel zu bedienen. Ob Trocknungsofen, Mischanlage, Handlings-System, Roboterstationen, Betongussportal oder die Wachspresse – die Fertigungsstationen im Technikum werden mit AS-Interface betrieben. So hat man in nahezu die komplette Anlagen- und Sicherheitstechnik mit AS-Interface realisiert, die Steuerung des Transportumlaufs erfolgt komplett mit AS-Interface. Die ASi-Technologie ermöglicht einen präzisen, zuverlässig ablaufenden Fertigungsprozess, der eine gleichbleibend hohe Qualität der Carbonbetonteile garantiert.
AS-Interface überzeugt durch eine herstellerübergreifende Kompatibilität von zertifizierten Produkten. Dieser Vorteil wird auch im Carbonbetontechnikum genutzt. Denn: Die Anlagensteuerung läuft zentral in einem ASi-Gateway der Firma Bihl+Wiedemann GmbH zusammen. Über diese Steuerung läuft das Prozessleit- und Visualisierungssystem der kompletten Anlage. Das System entstand mit Python in Eigenentwicklung. Die Anbindung erfolgt via OPC Unified Architecture (OPC UA). OPC UA ist ein Standard für den Datenaustausch als plattformunabhängige, service-orientierte Architektur.
Weitere AS-Interface Komponenten in der Anlage sind von folgenden Firmen: Bihl+Wiedemann GmbH, SIEMENS AG, ifm electronic GmbH, Pepperl+Fuchs, SEW-Eurodrive, FESTO, Euchner und der Murrelektronik GmbH.
Auch eine Reihe von IO-Link Sensoren befinden sich in der Anlage. Sie werden via AS-Interface zum Gateway getunnelt. Das stellt eine perfekte Symbiose in Punkto Leistungsfähigkeit und geringen Verdrahtungsaufwand dar.
Die einzelnen Roboterzellen sind jeweils in sich gekapselt. Ihre Programmabläufe werden mit AS-Interface initiiert und nach Beendigung des Fertigungsschritts über AS-Interface quittiert. Dadurch ist es möglich die komplette Anlage über AS-Interface zu steuern, einzelne Fertigungsschritte aber gekapselt im jeweiligen Umfeld zu handhaben.
Fazit: AS-Interface überzeugt nicht nur in der industriellen Kommunikation, sondern auch bei der Gebäudeautomation auf ganzer Linie. Denn in der ASi-Technologie steckt viel Potenzial, das verdeutlichen die aufgezeigten Applikationen. Völlig neu ist der Einsatz von AS-Interface in den dünnen Wänden aus Carbonbeton. Diese geniale Wandkonstruktion verfügt über eine integrierte Elektro- und Kommunikationstechnik, die gleich in der Fertigung integriert wird. AS-Interface überzeugt sowohl in den Carbonbetonfertigteilen wie auch in den Fertigungsanlagen, die diese innovativen Teile präzise herstellen. Überzeugend auch die herstellerübergreifende Kompatibilität, sie garantiert eine einwandfrei funktionierende Fertigung. Wie man sieht: Die ASi-Technologie ist die exzellente Basis in beiden Welten.