Pabellón de fibra de carbono según el caparazón del escarabajo

El Instituto de Construcción de Estructuras y Diseño Estructural (ITKE) de la Universidad de Stuttgart y Instituto de Diseño por Ordenadores  (ICD) han construido otro pabellón investigación biónico. El proyecto forma parte de una exitosa serie de pabellones de investigación que muestran el potencial de diseño novedosos, simulación y procesos de fabricación en la arquitectura. El proyecto fue planeado y construido en año y medio por los estudiantes y los investigadores dentro de un equipo multidisciplinar de arquitectos, ingenieros y biólogos.

El enfoque del proyecto es una estrategia de diseño de abajo hacia arriba en paralelo a la investigación biomimética de caparazones compuestos de fibra natural y el desarrollo de nuevos métodos de fabricación robóticos para las fibras reforzadas de estructuras poliméricas.

El objetivo fue el desarrollo de una técnica de arrollamiento para modular, estructuras de materiales compuestos de fibra de doble capa, lo que reduce el encofrado requerido a un mínimo mientras se mantiene un alto grado de libertad geométrica. Por lo tanto, se analizaron y resumieron en cooperación con la Universidad de Tübingen y el Instituto de Tecnología de Karlsruhe principios funcionales de estructuras ligeras naturales. A través del desarrollo de un método de fabricación de medida robótica, estos principios fueron trasladados en un pabellón prototipo modular.

ICD ITKE Pabellón de investigación 2013-14. Fotografías por ICD/ITKE Universidad de Stuttgart.

INVESTIGACIÓN BIOMIMÉTICA.

El rendimiento de estas estructuras ligeras se basa en la morfología geométrica de un sistema de doble capa y las propiedades mecánicas del material compuesto de fibra natural. La característica anisotrópica de este material, que consiste de fibras de quitina embebidas en una matriz de proteína, permite propiedades de los materiales diferenciados localmente.

ICD ITKE Pabellón de investigación 2013-14. Fotografías por ICD/ITKE Universidad de Stuttgart.

En colaboración con la Instlación Radiación Sincrotrón de ANKA y el Instituto de Ciencia de Fotones y Radiación Sincrotrón en el Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT), se extrajeron los modelos de alta resolución en 3D de varios élitros de escarabajos a través de la tomografía micro-computarizada. Junto con los escaneos de SEM de la Universidad de Tübingen, lo que permitió un análisis de las estructuras internas complejas del caparazón del escarabajo. La morfología Elitros se basa en una estructura de doble capa que está conectado por elementos de soporte doblemente curvados en forma de columna, las trabéculas. El diseño de la fibra dentro de un trabécula fusiona los segmentos de la cubierta superior e inferior con fibras continuas. La distribución y articulación geométrica de la trabécula es altamente diferenciados a lo largo del caparazón del escarabajo. A través de estudios comparativos de varias especies de escarabajos voladores los principios estructurales subyacentes podrían ser identificados y se traducidos en normas de diseño para las morfologías estructurales.

ICD ITKE Pabellón de investigación 2013-14. Fotografías por ICD/ITKE Universidad de Stuttgart.

MATERIAL Y LÓGICA ESTRUCTURAL.

Sobre la base de la morfología diferenciada de trabéculas y los arreglos de fibras individuales, fue generado un sistema modular de doble capa para su aplicación en un prototipo arquitectónico. A través del desarrollo de herramientas de diseño y simulación por ordenadores, tanto las características de fabricación robóticas y los principios biomiméticos abstractas podrían integrarse simultáneamente en el proceso de diseño.

Polímeros y fibra de carbono reforzado con vidrio fueron elegidos como material de construcción, debido a sus altas prestaciones (alta resistencia al cociente de peso) y el potencial de generar propiedades de los materiales diferenciados a través de la variación de colocación de fibras. Junto con su moldeabilidad sin restricciones, polímeros reforzados con fibra son adecuados para poner en práctica las geometrías complejas y organizaciones importantes de los principios de construcción naturales abstractas. Métodos de fabricación convencionales para elementos compuestos de fibra requieren un molde para definir la forma. Sin embargo, este método resulta inadecuada para transferir los principios de construcción naturales en aplicaciones arquitectónicas, ya que por lo general implican elementos únicos que requieren extensa encofrados y moldes prohibitivamente complejas.

ICD ITKE Pabellón de investigación 2013-14. Fotografías por Roland Halbe / ICD/ITKE Universidad Stuttgart.

PROCESO DE DESARROLLO ROBÓTICO.

Para la fabricación de los módulos geométricamente singulares dobles curvos se ha desarrollado un método robótico sin núcleo de bobinado, que utiliza dos robots industriales con ejes colaboradores enrollando fibras entre dos modelos de estructuras de acero a medida en poder de los robots. Mientras que los modelos definen los bordes de cada componente, la geometría final surge a través de la interacción de las fibras posteriormente establecidos. Las fibras están inicialmente tensadas linealmente entre los dos marcos soporte. Las fibras posteriormente se encuentran en la apertura y la tensión entre sí  se traduce en una deformación recíproca. Esta interacción fibra-fibra genera superficies de doble curvatura de conexiones de fibra recta inicialmente depositados. El orden en el que los haces de fibras impregnadas de resina (rovings) se enrollan en los modulos es decisivo para este proceso y se describe a través de la sintaxis de bobinado. La secuencia específica de la fibra de bobinado permite controlar la disposición de cada fibra individual que conduce a un proceso de diseño de material. Estas reciprocidades entre el material, la forma, la estructura y la fabricación se definen a través de la sintaxis de bobinado que por lo tanto se convierte en una parte integral de la herramienta de diseño computacional.

ICD ITKE Pabellón de investigación 2013-14. Fotografías por ICD/ITKE Universidad de Stuttgart.

Los efectores/modulos son ajustables para diversas geometrías de componentes, lo que lleva a una sola disposición de la herramienta reconfigurable para los 36 elementos. Con el filamento bobinado sin núcleo no sólo se ahorra importantes recursos a través de la inutilidad de los moldes individuales, sino que en sí mismo es un proceso de fabricación muy eficiente el material ya que no hay residuos o piezas de corte.

El proceso específico de fabricación robótico incluye el devanado de 6 capas individuales de vidrio y fibras de carbono. Una primera capa de fibra de vidrio define la geometría de los elementos y sirve como encofrado para las capas de fibra de carbono posteriores. Estas capas de fibra de carbono actúan como refuerzo estructural y se varían individualmente a través de la disposición anisotrópico fibras. La disposición individual de las fibras de carbono se define por las fuerzas que actúan sobre cada componente que se derivan del análisis de FE de la estructura global. La sintaxis de bobinado generado se transfiere a los robots y permite el enrollamiento de las capas de fibras 6 automática.

ICD ITKE Pabellón de investigación 2013-14. Fotografías por Roland Halbe / ICD/ITKE Universidad de Stuttgart.

PROTOTIPO BIOMIMÉTICOS

En total se fabricaron 36 elementos individuales, cuyas geometrías se basan en los principios estructurales extraídos de los élitros de escarabajos. Cada uno de ellos tiene un diseño de fibra individual que se traduce en un sistema de soporte de carga eficiente de material. El elemento más grande tiene un diámetro de 2,6 m con un peso de sólo 24,1 kg. El pabellón de la investigación cubre un área total de 50 m² y un volumen de 122 m³, con un peso de 593 kg.

ICD ITKE Pabellón de investigación 2013-14. Fotografías por ICD/ITKE Universidad de Stuttgart.

La geometría general reacciona a las condiciones específicas del espacio público alrededor del edificio de la universidad en las proximidades del parque. Al mismo tiempo que demuestra la capacidad de adaptación morfológica del sistema, mediante la generación de disposiciones espaciales más complejas que una estructura de cubierta sencilla. En total, el pabellón de la investigación muestra cómo la síntesis computacional de principios estructurales biológicas y las complejas reciprocidades entre el material, la forma y fabricación robótica puede llevar a la generación de métodos innovadores de construcción compuestos de fibra. Al mismo tiempo, el enfoque de investigación multidisciplinar no sólo conduce a construcciones ligeras eficientes performativas y materiales, sino que también explora nuevas cualidades espaciales y amplía las posibilidades tectónicas de la arquitectura.

El proyecto forma parte de un programa en curso la investigación de cómo las estructuras ligeras naturales pueden obtenerlos a partir de la arquitectura. Cada pabellón es investigado y construido en un período de 18 meses.