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로봇을 건축 분야에 사용한다는 것은 혁신적인 아이디어입니다. 연방 정원박람회(Bundesgartenschau) 2019의 파빌리온에 사용되는 구조 부재를 제조하는 KUKA 로봇이 바로 혁신의 주인공입니다. 이 로봇 기반 제조공법은 슈투트가르트 대학 연구소에서 개발하였습니다. 이 프로젝트에서는 건설 로봇의 다양한 이점을 확인할 수 있습니다.
슈투트가르트 대학 Institute for Computational Design and Construction (ICD)에서는 컴퓨터 지원 설계 및 시공 공정을 개발하는 프로젝트를 진행했습니다. 이 프로젝트의 핵심 업무는 로봇의 사용 가능성을 확인하는 것이었습니다. 하일브론에서 개최된 연방 정원박람회 2019를 위해 아힘 멘게스 교수 및 크리스토프 체히마이스터, 제르반 보데아 및 니콜로 담브로시오 연구원으로 구성된 프로젝트 팀은 파이버가 감긴 구조부재로 이루어진 파빌리온을 설계했습니다. 로봇 기반의 경량 구조부재 제조공법은 2대의 KUKA 로봇을 통해 구현되었습니다: KR 210 R3100 QUANTEC 타입의 KUKA 로봇은 KP1-HC의 포지셔너에 고정되어 있는 2개의 와인딩 프레임 둘레에 파이버 가닥을 감습니다. 시스템 구축업체 BEC GmbH는 ICD에 로봇을 통합하는 작업을 수행했습니다.
이 파빌리온은 크기가 최대 6미터인 60개의 구조 부재로 이루어집니다. 로봇 기반 제조공법의 특이 사항: 각 엘리먼트가 큰 크기임에도 파이버를 고정하는 중심부를 갖지 않습니다. 크리스토프 체히마이스터 연구원은 “지지 구조는 오로지 섬유 복합 구조부재으로만 구성됩니다. 건설 로봇은 이 지지 구조를 끊기지 않은 유리섬유 및 탄소섬유로 감는다”고 설명합니다. 이 구조 부재는 FibR GmbH에서 제조했습니다. 이 회사의 모리츠 되르스텔만 대표이사는 “이 구조는 로봇 기반 제조공법으로만 구현할 수 있을 정도로 복합적이다”라고 설명합니다. FibR GmbH는 디지털 설계 및 제조 기술을 이용해 효율적이고 감각적이며 표현적인 섬유 복합 구조물을 구현하는 데 특화된 기업입니다.
구조부재 생산을 위해 FibR GmbH는 로봇 기반 제조공법을 도입했습니다: KP1-HC 타입의 2개의 KUKA 포지셔너에는 2개의 와인딩 프레임이 고정되어 있습니다. 이 2개의 포지셔너는 스틸 파이프를 통해 운동 역학적으로 연결되어 있습니다. 이를 통해 형성되는 수평축은 무한 회전이 가능하며 와인딩 프레임의 동시 동작을 가능하게 합니다. 움직임이 자유로운 공간은 로봇 기반 제조공법에 반드시 필요한 요소입니다. 이를 통해 KR QUANTEC 로봇 엔드이펙터의 원활한 접근성이 보장됩니다. 건설 로봇의 암에는 파이버 스풀이 고정되어 있습니다. 파이버 가닥은 장력 조절기를 통과하여 엔드이펙터로 전달되기 전에 먼저 침지됩니다. 엔드이펙터는 파이버 가닥을 최종적으로 와인딩 프레임의 고정점에 겁니다.
건설 로봇의 탁월한 정밀도 및 반복 정밀도로 인해 구조 부재의 개별적 어댑테이션이 가능합니다. 크리스토프 체히마이스터 연구원은 “60개의 엘리먼트에 대한 제조 경로를 직접 디지털 모형으로부터 만들 수 있다”고 설명합니다. 어플리케이션의 컨피규레이션을 위해 Engeneering Suite KUKA.WorkVisual이 사용되었습니다. 로봇 기반 제조공법을 적용할 경우 광폭 섬유 복합 구조물을 저비용 및 높은 재료 효율성으로 생산할 수 있습니다. 건설 로봇의 경쟁력은 생산 셋업의 유연성 및 확장성 그리고 높은 구조 부재 품질에 있습니다. 모리츠 되르스텔만 연구원은 “로봇 기반 제조공법을 통해 토목 분야에서 자원 소비량의 절감뿐 아니라 흥미로운 새로운 건축 프로젝트를 구현할 수 있다”고 설명합니다.
로봇 기반 제조공법을 통해 구조부재 제조 시 분산된 모션 시퀀스를 간단하게 실행하고 공정의 복잡도를 줄일 수 있습니다.
