Nuevo pabellón de investigación 2016-17 de ICD/ITKE

El nuevo proceso se basa en las propiedades  y las características únicas de la construcción con fibra de carbono. Debido a que estos materiales son ligeros y tienen una alta resistencia a la tracción, es posible partir desde un enfoque radicalmente diferente en la fabricación, que combina máquinas de bajo coste pero de largo alcance, tales como vehículos aéreos no tripulados (UAV), con gran alcance y gran precisión pero todavía limitados.

Este concepto de colaboración permite una configuración de fabricación escalable para la construcción de compuestos de fibra de largo alcance.

La investigación se basa en una serie de pabellones realizados con mucho éxito, que investigan el diseño integrador entre el diseño por ordenadores, la ingeniería y la fabricación, y explora sus posibilidades espaciales y de construcción. El proyecto fue diseñado y fabricado por estudiantes e investigadores dentro de un equipo interdisciplinario de arquitectos, ingenieros y biólogos.

Fibra ligera de larga duración para construcción

Los materiales compuestos de fibra de carbono tienen un tremendo potencial en aplicaciones arquitectónicas. Debido a las características del material performativo, se utiliza principalmente en aplicaciones de ingeniería puntera, como en las industrias automotriz y aeroespacial.

Los potenciales dentro de la arquitectura, sin embargo, siguen estando en gran parte  sin explorar. Dentro de la producción de escala arquitectónica, donde el peso propio del material es de gran preocupación para estructuras de gran tamaño, los compuestos de fibra ligera proporcionan un rendimiento sin precedentes. Sin embargo, actualmente no tenemos los procesos adecuados de fabricación de compuestos de fibra de carbono para producir objetos a esta escala sin comprometer la libertad de diseño y la adaptabilidad requerida para las industrias de la arquitectura y el diseño.

Los métodos tradicionales de fabricación requieren moldes de gran escala y, a menudo, limitan el proceso a la producción seriada. Investigaciones anteriores en el ICD y ITKE ha explorado la construcción de fibra de carbono compuesta sin la necesidad de moldes superficiales o costosos encofrados. Estos nuevos procesos de fabricación se han utilizado para crear estructuras multicapa muy diferenciadas, sistemas de construcción funcionalmente integrados y conjuntos de elementos grandes. Han librado al material, relativamente maleable, de las limitaciones de los procesos tradicionales de fabricación de compuestos de fibra. Sin embargo, la escala de estas primeras investigaciones quedaron limitadas por el espacio de trabajo de los brazos robóticos industriales que se utilizaron.

El objetivo del Pabellón de Investigación ICD / ITKE 2016-17 es prever un proceso de fabricación escalable y probar escenarios alternativos para la aplicación arquitectónica desarrollando un proceso de fabricación para estructuras de fibra continua de largo alcance.

Investigación de Procesos Biomiméticos

El enfoque del proyecto es una estrategia paralela de diseño de abajo hacia arriba para la investigación biomimética de procesos de construcción natural de estructuras de fibra de carbono compuesta de largo alcance y el desarrollo de nuevos métodos de fabricación robótica para estructuras de polímero reforzadas con fibra de carbono.

El objetivo era desarrollar una técnica de bobinado de fibras más largos, lo que reduce al mínimo el encofrado necesario, aprovechando al mismo tiempo el rendimiento estructural del filamento continuo. Por lo tanto, se analizaron los principios funcionales y las lógicas de construcción de estructuras ligeras naturales y fueron resumidos en colaboración con el Instituto de Evolución y Ecología y el departamento de Paleobiología de la Universidad de Tübingen. Se identificó que dos especies de polillas de la mina de las hojas, Lyonetia clerkella y Leucoptera erythrinella, cuyas larvas cosen "hamacas" de seda que se extienden entre los puntos de conexión de una hoja doblada, son particularmente prometedoras para la transferencia de principios morfológicos y procedimentales.

Se extrajeron varios conceptos de los modelos biológicos y se transfirieron a conceptos estructurales y de fabricación, incluyendo: la combinación de una subestructura activa de flexión y el refuerzo de la fibra de cabrono de bobina sin núcleo para crear un marco de bobinado compuesto totalmente integrado, la orientación y la jerarquía de las fibras sobre una estructura de largo alcance y los procesos de colocación de fibras volumétricas de varias capas para la generación de geometrías tridimensionales complejas.

Fabricación Cibernética-Física Multi-Máquina

La creación de una estructura de largo alcance, más allá del espacio de trabajo del equipo de fabricación industrial estándar, requería una configuración colaborativa en la que múltiples sistemas robotizados pudieran interconectarse y comunicarse para crear un proceso de colocación de fibras sin fisuras. Una fibra podría pasar entre múltiples máquinas para asegurar una estructura de material continuo.

El concepto del proceso de fabricación se basa en la colaboración entre máquinas fuertes y precisas, pero fijas y con alcance limitado y máquinas móviles de largo alcance con una precisión limitada. En el montaje experimental, se colocan dos brazos robóticos industriales fijos que poseen la fuerza y ​​precisión necesarias para el trabajo de bobinado de fibras en los extremos de la estructura, mientras que se utiliza un sistema de transporte de fibras autónomo, de largo alcance pero menos preciso para pasar la fibra de un lado a otro, en este caso un UAV personalizado.

Combinando libertad y  adaptabilidad sin trabas del UAV con los robots, se abren las posibilidades de colocar fibras sobre, alrededor o a través de una estructura, creando el potencial para generar disposiciones materiales y el rendimiento estructural que no sería factible con el robot o el UAV por si solo.

Se desarrolló un sistema de control y comunicación adaptable para permitir que múltiples robots industriales y un UAV interactuaran a lo largo de los procesos de bobinado y colocación de fibras. Una interfaz con un sensor integrado permitió a los robots y al UAV adaptar sus comportamientos, en tiempo real, a las distintas condiciones que se producían durante la fabricación. El UAV podía volar y aterrizar de forma autónoma sin la necesidad de pilotos humanos, la tensión de la fibra se controlaba de forma activa y adaptativa en respuesta a los comportamientos del UAV y del robot. Se utilizó un sistema de localización para crear un "apretón de manos" digital y físico entre el robot y el UAV con el fin de pasar la fibra de un lado a otro durante todo el proceso de bobinado. La serie de comportamientos adaptativos y sensores integrados establece las bases para el desarrollo de nuevos procesos de fabricación cibernéticos y de máquinas múltiples para la producción de compuestos de fibra a gran escala.

Demostracion Integrativa

El Pabellón de Investigación ICD / ITKE 2016-17 se creó con un total de 184 km del compuesto de vidrio impregnado de resina y fibra de carbono. El sistema, realizado con el ligero material, se empleó para crear y probar la realización de un diseño con un único voladizo de gran longitud, con una longitud total de 12 metros, buscando un escenario estructural extremo. La superficie cubre un área de unos 40 m² y pesa aproximadamente 1000 Kg. La estructura realizada se fabricó lejos del lugar definitivo y, por lo tanto, se restringió el tamaño para poder encajarla dentro de un volumen que se pudiera transportar. Sin embargo, se encontraron variaciones de la configuración adecuadas para la fabricación in situ, que podrían utilizarse para estructuras de mayor longitud.

La geometría general del pabellón demuestra las posibilidades de fabricar morfologías estructurales a través de bobinas volumétricas multicapa, reduciendo el encofrado a través de un bastidor integrado de plegado activo, aumentando las posibles dimensiones que puede adqurir la pieza así como la construcción a través de la integración de procesos robóticos y autónomos UAV. Este proyecto, también explora cómo los futuros escenarios de construcción pueden evolucionar para incluir sistemas distribuidos, colaborativos y adaptativos. Esta investigación muestra el potencial del diseño computacional y la construcción a través de la incorporación de capacidades estructurales, comportamiento material, lógicas de fabricación, principios biológicos y restricciones de diseño arquitectónico en el diseño computacional integrador y la construcción. El pabellón prototípico es una prueba conceptual para procesos de fabricación escalables de elementos estructurales compuestos por fibra de gran longitud, adecuados para aplicaciones arquitectónicas.