Descrição enviada pela equipe de projeto. Em Novembro de 2012, o Instituto de Design Computacional (CID) e o Instituto de Estruturas de Construção e Design Estrutural (ITKE) da Universidade de Stuttgart concluíram um pavilhão de pesquisa fabricado totalmente por robôs a partir de componentes de fibra de carbono e vidro. Este projeto interdisciplinar, realizado por pesquisadores de arquitetura e engenharia de ambos os institutos, juntamente com os alunos da faculdade e em colaboração com biólogos da Universidade de Tübingen, investigam a inter-relação possível entre estratégias de design biométrico e novos processos de produção robotizada. A pesquisa focou nos princípios materiais e morfológicos do exoesqueleto dos artrópodes como uma fonte de exploração para um paradigma na arquitetura da construção do novo composto.
No cerne do projeto, está o desenvolvimento de um processo de fabricação robótico inovador, dentro do contexto da indústria da construção com base no enrolamento de filamentos de fibra de carbono e de vidro, ferramentas correspondentes de concepção e métodos computacionais de simulação. Um aspecto importante do projeto foi transferir a morfologia fibrosa do papel biológico do modelo de fibra reforçada de materiais compostos. A anisotropia foi integrada desde o início do desenho por computadores e processos de simulação, criando assim novas possibilidades tectônicas para a arquitetura. A integração dos métodos de geração das formas, simulações de computadores e fabricação robótica, especificamente permitiram o desenvolvimento de uma estrutura de alto desempenho: o pavilhão requer apenas a espessura de uma concha de quatro milímetros de composto laminado, medindo 8 metros.
Seguindo a abordagem "bottom-up", uma grande variedade de subtipos de invertebrados foram inicialmente investigadas no que diz respeito à anisotropia material e morfologia funcional dos artrópodes. Os princípios biológicos observados foram analisados e resumidos, a fim de ser subsequentemente transferidos para os princípios de concepção viável para aplicações arquitetônicas. O exoesqueleto da lagosta (Homarus americanus) foi analisado em maior detalhe por sua diferenciação material, com finalidade de servir como modelo biológico do projeto.
O exoesqueleto da lagosta contém uma parte mole, a endocutícula, e uma camada relativamente dura, a exocutícula. A cutícula é um produto no qual a secreção de fibrilas de quitina são incorporadas em uma matriz proteica. A especificidade da posição e da orientação das fibras e das propriedades dos materiais relacionados, respondem a requisitos específicos. As fibras de quitina são incorporadas na matriz através da formação de camadas individuais. Nas áreas onde há transferência de cargas não-direcionais é necessário camadas individuais laminadas em uma espiral (helicoidal). A estrutura isotrópica de fibra permite uma distribuição uniforme de cargas em todas as direções. Por outro lado, as zonas que são objetos de distribuição de tensões exibem uma estrutura de camada não-direcional, mostrando um conjunto de fibras anisotrópicas, que é otimizado para a transferência de carga dirigida. Devido a esta diferenciação do material, a concha cria uma estrutura altamente adaptada e eficiente. Os princípios morfológicos abstratos com as orientações das fibras adaptadas constituem a base que gera o design computacional, a forma, o material e o processo de fabricação do pavilhão.
Em colaboração com os biólogos, a orientação da fibra, arranjo e espessura da camada de fibras associadas e o gradiente da rigidez no exoesqueleto da lagosta foram cuidadosamente investigados. A alta eficiência e a variação funcional da cutícula é resultado de uma combinação específica de formas exoesqueléticas, orientação das fibras e da matriz. Estes princípios foram aplicados para o desenho de uma estrutura de concha, roboticamente fabricadas com base num sistema composto de fibra de vidro, em que a resina e as fibras de carbono saturados foram continuamente colocadas por um robô, resultando em uma estrutura composta por orientações das fibras personalizadas.
As técnicas existentes de colocação das fibras, por exemplo, na indústria aeroespacial ou produção avançada de tecidos, são realizadas com a colocação das fibras sobre um molde fabricado separadamente. Uma vez que a construção de uma fôrma positiva não é sustentável para a indústria da construção, o projeto destinado procura reduzir ao máximo a fôrma. Como consequência, as fibras foram colocadas sobre uma estrutura de aço leve e temporária, linear e com pontos de fixação definidos onde as fibras foram tensionadas. A partir dos segmentos retos das fibras pré-tensionadas, resultam superfícies que formam um dupla curva característica do pavilhão. Desta forma, as superfícies das paraboloides hiperbólicas, resultantes da primeira sequência de enrolamento das fibras de vidro, servem como um molde integral para a fibra de carbono e as camadas de fibra de vidro, com seus efeitos estruturais específicos e propriedades de suporte de carga. Em outras palavras, o pavilhão estabelece a fôrma como parte da sequência de fabricação robótica. Durante o processo de fabricação, também foi possível colocar as fibras otimizando o alinhamento com os fluxos de força da pele do pavilhão. Os sensores de fibra ótica, que monitoram continuamente a tensão e suas variações, também foram integrados à estrutura. A atual consideração do projeto da concha geométrica deve-se ao fato que o arranjo das fibras e o processo de fabricação leva a uma nova síntese da forma, material, estrutura e desempenho.
Através deste alto nível de integração das propriedades fundamentais das estruturas biológicas, foram transferidos:- Heterogeneidade: seis filamentos de diferentes sequências de enrolamento controlam a variação da estratificação das fibras e orientam-nas por camadas individuais em cada ponto do reservatório. Elas foram concebidas para minimizar o consumo de material, maximizando simultaneamente a rigidez da estrutura, com o resultado eficaz dos materiais e uma estrutura muito leve.- Hierarquia: as fibras de vidro são usadas principalmente como um elemento de separação espacial e servem como cofragem para as camadas seguintes, enquanto as fibras duras de carbono contribuem principalmente para a transferência de carga e da rigidez total do sistema.- Integração das funções: além das fibras de carbonos que são estruturais e transferem a carga e as fibras de vidro que se articulam espacialmente, as fibras funcionais iluminam e monitoram a estrutura totalmente integrada ao sistema.
Um pré-requisito para a concepção, desenvolvimento e realização do projeto, foi uma cadeia fechada de informações digitais que comunica o modelo do projeto, simulações de elementos finitos, ensaios de materiais e controle dos robôs. A procura da forma, dos materiais e o projeto de estrutura foi diretamente integrada ao processo de design, em que a complexa interação da forma, tecnologia da estrutura dos materiais e da fabricação foi usada como um aspecto integrante da metodologia de design biométrico. O união direta da geometria e análises comparativas das inúmeras combinações. Em paralelo, as propriedades mecânicas dos compostos de fibra são determinados por ensaios de materiais e foram incluídos no processo da geração e otimização da forma e do material. A otimização da fibra e o arranjo de cada camada, gradiente até a base, permitiu o desenvolvimento de uma estrutura altamente eficiente, com uma utilização mínima de material.
A fabricação robótica do pavilhão de pesquisa foi realizada no local, montados à prova de intemperes por 6 eixos robóticos com mais um 7º eixo externo. Colocado sobre um pedestal de 2 m de altura alcançando uma altura total de 4 m, o robô colocou as fibras sobre a estrutura de aço temporária que foi acionada em um movimento circular por uma mesa giratória controlada. Como parte do processo de fabricação as fibras foram saturadas durante a execução através de um banho de resina diretamente antes da montagem robotizada. Nesta configuração específica, foi possível alcançar uma estrutura de quase 8 m de altura e 3,5 m de diâmetro com um enrolamento contínuo de mais de 60 km de mechas de fibras. A definição paramétrica dos caminhos sinuosos do modelo de geometria digital, o planejamento do movimento robótico, o cálculo de pareamento do eixo externo, bem como a geração do código de controle do robô poderia ser implementado em um design personalizado, desenvolvido e produzido em um ambiente integrado. Após a conclusão do processo robótico de enrolamento das fibras e a têmpera subsequente do composto de fibra e resina, a estrutura temporária de aço pode ser desmontada e removida. A concha, que permanece extremamente fina, com apenas 4 mm de espessura, constitui uma estrutura fabricada automaticamente mas com diferenciações localizadas.
A integração simultânea dos princípios biométricos da cutícula da lagosta, as lógicas do carbono robótico recém-desenvolvido e os filamentos de fibra de vidro permitem um alto nível de desempenho estrutural e novas oportunidades tectônicas para a arquitetura. Apesar do seu tamanho considerável e sua extensão, a pele semi-transparente do pavilhão pesa menos de 320 kg e revela a lógica estrutural do sistema através da organização espacial do carbono e das fibras de vidro. A síntese de novos modos de design computacional e dos materiais, simulação digital e fabricação robótica permitem tanto a exploração de um novo repertório de possibilidades de arquitetura quanto o desenvolvimento de estruturas extremamente leves e materialmente eficientes.
