Építőipari robotok az innovatív építőiparban - 1. rész
A robot meghatározása
A robotika tudományága olyannyira szerteágazó, hogy még a „robot” fogalmára sincs egyöntetűen elfogadott definíció, sem általánosan elismert kategorizálás; a technológia fejlődésével több meghatározás is született az idők folyamán. 1979-ben a Robot Institute of America (RIA) a következőképpen definiálta a robot fogalmát: „újraprogramozható, többfunkciós eszköz, amit arra terveztek, hogy anyagokat, alkatrészeket, szerszámokat vagy speciális eszközöket előre programozott módon mozgasson különböző feladatok elvégzése érdekében”.1
A korábbi meghatározások többsége ma már egyáltalán nincs összhangban azzal a fejlődéssel, amit ezen a területen elértek. A különböző intézmények az évek során nagyon sokféle módon osztályozták és értékelték a robotokat, az egyik legfrissebb meghatározás – a Cambridge Dictionary 2020-as kiadása2 – szerint a robot „számítógép által vezérelt gép, amely különböző feladatok automatikus elvégzésére szolgál”.
A terület egyik meghatározó szervezete, a Nemzetközi Robotikai Szövetség (International Federation of Robotics - IFR)3 ugyanakkor az „ipari robot” fogalmának az ISO 8373:2012 Robots and robotic devices – Vocabulary szabványban megadott meghatározását ismeri el: „automatically controlled, reprogrammable, multipurpose manipulator programmable in three or more axes, which may be either fixed in place or mobile for use in industrial automation applications”, ami értelmező magyar fordításban a következőképp fogalmazható meg: szabadon programozható többcélú mechanizmusok, amelyek anyag, alkatrész, szerszám vagy egyéb eszköz egyszerűen változtatható program szerinti mozgatását, térbeli helyzetének megváltoztatását vagy megtartását, megfogását vagy elengedését, vagyis manipulálását végzik.4
Az építőipar és a robotizáció viszonya
Az építőipari ágazat világszerte lassan veszi át az új, innovatív technológiákat, emiatt termelékenysége is többnyire stagnál.5 A világ népességének rohamos növekedésével azonban egyre gyorsabban és egyre több ember számára kell megfizethetőbb lakhatást, illetve közlekedési és közmű-infrastruktúrát biztosítani, ami a hatékonyság növelése nélkül nehezen képzelhető el. Az ágazat ilyen jellegű lemaradása viszont egyben azt is jelenti, hogy hatalmas lehetőségeket rejt magában a még ki nem használt fejlesztések, a digitalizáció, az innovatív megoldások és az új építéstechnológiák sikeres implementálása esetén.6 7 8
Az építőipar munkaerő-igényes ágazat. A robotizált rendszerek és az automatizált eljárások nagyon hatékonynak bizonyultak más ágazatokban a munkaerő-szükséglet és a költségek csökkentésére, továbbá hozzájárultak a termelékenység és a minőség javításához is. Alkalmazásukkal kapcsolatban fontos még figyelembe venni azt is, hogy a robotrendszerek csökkenthetik a munkabalesetek számát, illetve a veszélyes feladatok elvégzését is „át tudják vállalni” az élő munkaerőtől. Az építőipari robotikai rendszereket az 1960-as évek óta fejlesztik a többi iparággal (például autóipar) párhuzamosan, azonban a fejlesztés az építőipar sajátosságai miatt sokkal lassabb ütemben halad és kisebb mértékű eredményeket ért el. A Manufacturing Technology Center kutatása – mely 11 nagy európai építőipari vállalat és kormányzati szerv bevonásával készült – szerint az ipari szereplők félnek a robotizációval járó magas megvalósítási költségektől, illetve a kereskedelmi és műszaki kockázatoktól.
Az építőipari robotok elfogadottságára kedvező hatással lehet, hogy más, az építőiparban zajló jelenlegi technológiai fejlesztések – mint például az ipar 4.0 paradigma, az építményinformációs modellezés (BIM) bevezetése, az okosérzékelők használata, illetve a mesterséges intelligencia alkalmazása – is szorosan kapcsolódhatnak ehhez a technológiához.9
A robotok és automatizált megoldások csoportosítása az építőiparban
Ez az alfejezet áttekintést nyújt az építőiparban már gyakorlatban is működő, különböző típusú robotizált, illetve automatizált rendszerekről. Ezek a rendszerek sokfélék lehetnek, nincs konszenzus meghatározott kategóriákba sorolásukat illetően, mivel a kategóriák közötti határok a technológiai fejlődéssel folyamatosan elmozdulnak, összemosódnak. Éppen ezért az alábbi csoportosítás is mindösszesen azt a célt szolgálja, hogy a nagyon összetett és változatos fejlesztési irányok megértését megkönnyítse, illetve hogy egyszerű áttekintést nyújtson a különböző rendszertípusokról.
Az építőipari automatizált és robottechnológiák típusai négy általános csoportba sorolhatók:
- Építési helyszínen kívüli előregyártó rendszerek,
- Építéshelyszíni automatizált
- Drónok és autonóm járművek,
- Exoskeletonok.
Az első építőipari robotokat Japánban fejlesztették ki azzal a céllal, hogy a moduláris házak építőelemeinek minőségén javítsanak. (1. csoport: Építési helyszínen kívüli előregyártó rendszerek). Valójában ezeknek a robotoknak az adoptálására vezethető vissza a japán autógyártást meghatározó robotok sikeres alkalmazása is. Később elkezdtek megjelenni az építési robotok az építkezéseken, ezekből összefüggő és automatizált építéshelyi rendszereket fejlesztettek ki (2. csoport: Építéshelyszíni automatizált és robotizált rendszerek). A legújabb fejlesztések eredményeként létrejöttek a (minőség)ellenőrzési, monitoring- és karbantartási stb. feladatokat ellátó robotok, illetve autonóm járművek (3. csoport: Drónok és autonóm járművek). Végezetül a negyedik csoportba tartozó exoskeletonok olyan viselhető mechanikus eszközök, amelyek fokozzák, kibővítik a felhasználó fizikai képességeit. Itt meg kell jegyezni, hogy az exoskeletonok nem tartoznak szigorúan véve a robotrendszerek közé, mivel önálló működésre nem képesek, a munkavállaló fizikai képességeit nem helyettesítik, hanem „csak” kibővítik.
A fenti négy csoportba sorolt eszköz mindegyike az építőipar hatékonyságának növelésére jött létre, a közöttük lévő kapcsolat egyre erősebbé válik, a csoportosítások közötti határok egyre inkább elmosódnak. Az ember–robot együttműködésben jelentős potenciál rejlik, előreláthatólag a robotok, az automatizált rendszerek és az exoskeletonokat viselő munkavállalók a jövőben egyre szorosabb együttműködésre lesznek majd képesek.10
Építési helyszínen kívüli automatizált előregyártó rendszerek
Az építési helyszínen kívüli előregyártás esetén a robottechnológia alkalmazásának fő célja – a más iparágaknál alkalmazott üzemi gyártástechnológiákhoz hasonlóan 11 – az előregyártott épületelemek minőségének javítása és a termelékenység növelése. A robotok alkalmazása jellemzően szabályozott környezetben történik, ahol előre telepített módon vagy robotpályán mozogva meghatározott célfeladatokat látnak el. Ilyen célfeladatok lehetnek például az előregyártott acélszerkezetek hegesztési munkái, fa tartószerkezetek esetén a kötések kialakítása, vagy betonból készülő szerkezeti elemek esetén maga a betonozási munka. A technológiai megoldások nem korlátozódnak csak egyes épületelemek előállítására, hanem moduláris építési mód esetén akár egy-egy nagyobb egység – például fürdőszoba vagy konyhablokk – üzemi környezetben történő előregyártását is lehetővé teszik, természetesen figyelembe véve a szállítási méretkorlátokat.
Ebbe a csoportba sorolhatók az additív gyártási technológiák is – amit a köznyelv 3D-nyomtatásként ismer –, melyek építőipari felhasználási lehetőségeiről jelentős szakirodalom áll rendelkezésre.12 13
3D tartószerkezet előállítására alkalmas gépek (3D-nyomtatók)
Ez az alcsoport az építőiparban alkalmazott 3D-nyomtatókat foglalja magába. Ezek az eszközök épületek vagy építészeti elemek nyomtatására alkalmasak. Az ilyen típusú 3D-nyomtatás lényegét az extrudálási technológia jelenti, amely során valamilyen paszta állagú anyagot (például beton, földanyagok, expanziós hab, acél stb.) az adott anyag szilárdulási tulajdonságának megfelelő vastagságú rétegben, a digitális 3D-modell szerinti pozícióba nyomják egy fúvókán keresztül, majd a folyamatot a 3D-modellben meghatározott méret eléréséig ismétlik.
Rengeteg megoldással találkozhatunk a piacon a 3D-nyomtatók méretét és működési elvét tekintve: vannak, amelyek csak egy rögzített pozícióban képesek nyomtatni; mások mozgatható kar segítségével egy hatósugáron belül szabadon tudnak dolgozni, illetve vannak, amelyek lánctalpak segítségével akár a pozíciójukat is tudják változtatni. Kísérleteznek továbbá olyan 3D-mininyomtatók alkalmazásával is, amelyek között az adott szerkezet nyomtatási munkája felosztható, és így párhuzamosítva a munkafolyamatokat, alkalmazásukkal akár további nyomtatási idő is megspórolható. Ehhez természetesen szükséges, hogy a szerkezet a kisebb elemekből való összeillesztés esetén is biztonságos legyen, illetve hogy a nyomtatási felosztásnak és az illesztési követelményeknek megfelelően legyen előkészítve a digitális állomány is.
A 3D-nyomtatás – használatát tekintve – környezetbarát technológiának számít, hiszen helyesen alkalmazva (fölösleges elemeket nem nyomtatva) nem termel sok hulladékot. Másrészt viszont a kezdeti beruházás jelentős forrást igényel, és a technológia csak bizonyos feladatokra használható, hiszen egyes munkafolyamatokat továbbra is kézzel kell elvégezni (például vízvezetékek, elektromos hálózatok szerelése stb.).14
Építési helyszínen alkalmazott automatizált és robotizált rendszerek
A különböző építési helyszíneket jellemző változatosság (a talaj- és terepviszonyok, a tervezett épület geometriája stb.) és az ehhez történő alkalmazkodás komoly kihívást jelent a robotok építéshelyi alkalmazása szempontjából. Itt tehát egyelőre kompromisszumokat kell kötnünk: a megoldást jellemzően egy mobil platformra rögzített, de csak egy adott feladatra kialakított roboteszköz jelenti. Ilyen feladat lehet például a falfestés15 vagy a falazási munka. Utóbbi esetén ugyanakkor lehetővé válik akár bonyolult geometria – például kétszer görbült felületek – kialakítása is16, például lőtt beton alkalmazásával.17
Ezek a megoldások könnyen kombinálhatók a hagyományos építési módszerekkel, ugyanakkor kihívást is jelent a párhuzamos emberi és robotizált munkavégzés munkabiztonsági feltételeinek a megteremtése (ember–robot együttműködése, human–robot collaboration).
A robotok építéshelyszínen történő alkalmazásának egy másik lehetséges módja a helyszíni előregyártáshoz kapcsolódik. Ennek során egy konkrét célfeladat ellátására fejlesztett robot ellenőrzött körülmények között, de az építési helyszínen kialakított munkaterületen végzi el az adott feladatot, építi meg a szerkezetet stb. A módszertan előnye, hogy a különböző munkafolyamatokat végző robotok megfelelő láncolatba történő rendezésével gyakorlatilag gyártósorszerű termelés jöhet létre.18
A cikk 2. része a Beton újság 2024/05. számában olvasható.
Jelen cikk a Greenology Zöldinnovációs Fenntarthatósági Tudásközpont koordinációjában kiadott Boros Anita – Torma András (szerk.): Trendek és megoldások a zöld építésgazdaság területén – III. rész – Innovatív építőanyagok, termékek, technológiák című könyvben jelent meg. A Beton újságban való közlését engedélyezte a kiadó, az UNIVERSITAS-Győr Nonprofit Kft.
(fotók:123fr.com)