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Arquitetos: ICD-ITKE Universidade de Stuttgart; ICD-ITKE Universidade de Stuttgart
- Área: 40 m²
- Ano: 2017
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Fotografias:Laurian Ghinitoiu, Burggraf / Reichert
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Fabricantes: Hexion
Descrição enviada pela equipe de projeto. O Instituto para Desenho e Construção Computacional (ICD em sua sigla em inglês) e o Instituto de Construção de Estruturas e desenho Estrutural (ITKE em sua sigla em inglês) da Universidade de Stuttgart inauguraram um novo pavilhão de pesquisa explorando a fabricação de compostos de fibra de carbono e de vidro em escala de construção. O processo é baseado nas características únicas da construção com fibras. Como estes materiais são muito leves e possuem grande força de tensão, uma abordagem radicalmente diferente se torna possível, que combina máquinas de baixo custo, mas de longo alcance, como Veículos Aéreos Não Tripulados (UAV em sua sigla em inglês), com robôs industriais robustos e precisos, mas de alcance limitado. Este conceito colaborativo permite uma configuração de fabricação em escala para construção de compósito de fibra de longo alcance. A pesquisa baseia-se em uma série de pavilhões de êxito, que investigam a integração de projeto computacional, engenharia e fabricação, explorando suas ramificações espaciais e possibilidades de construção. O projeto foi desenhado e fabricado por estudantes e pesquisadores dentro de uma equipe interdisciplinar de arquitetos, engenheiros e biólogos.
Construção fibrosa, leve e de longa distância
Materiais compósitos de fibra têm enorme potencial em aplicações arquitetônicas. Devido às características performativas do material, são facilmente utilizados em aplicações com grande engenharia envolvida, como nas indústrias automotiva e aeroespacial. Os potenciais dentro da arquitetura, no entanto, permanecem ainda amplamente inexplorados. Dentro da produção de escala arquitetônica, onde o peso próprio do material é de grande preocupação para estruturas de extensão maiores, os compósitos de fibra leve proporcionam um desempenho incomparável. No entanto, atualmente não temos processos adequados de fabricação de compósitos de fibras para produzir nesta escala sem comprometer a liberdade de projeto e a adaptabilidade do sistema necessários para as indústrias de arquitetura e design. Os métodos tradicionais de fabricação requerem moldes de superfície em grande escala e muitas vezes restringem o processo à produção em série de peças idênticas. Em pesquisas anteriores no ICD e ITKE foi explorada a construção de fibra compósita sem a necessidade de moldes de superfície ou cofragem onerosa. Estes novos processos de fabricação foram utilizados para criar estruturas em multi-camadas altamente diferenciadas, sistemas de construção funcionalmente integrados e conjuntos de grandes elementos. Assim, libertaram o material das limitações dos processos tradicionais de fabricação de compósitos de fibras. No entanto, a escala dessas primeiras investigações foi limitada pelo espaço de trabalho dos braços robóticos industriais que foram utilizados. O objetivo do Pavilhão de Pesquisas ICD / ITKE 2016-17 é vislumbrar um processo de fabricação escalável e testar cenários alternativos para aplicações arquitetônicas, desenvolvendo um processo de fabricação de estruturas de fibras contínuas de longo alcance.
Pesquisa de processos biomiméticos
O foco do projeto é uma estratégia paralela de projeto para a investigação biomimética de processos de construção natural de estruturas compostas de fibras de longo alcance e o desenvolvimento de novos métodos de fabricação robótica para estruturas de polímero reforçado com fibras. O objetivo era desenvolver uma técnica de enrolamento de fibras durante um período mais longo, o que reduz a cofragem necessária ao mínimo, aproveitando ao mesmo tempo o desempenho estrutural do filamento contínuo. Portanto, os princípios funcionais e as lógicas de construção de estruturas naturais leves foram analisados e resumidos em colaboração com o Instituto de Evolução e Ecologia e o departamento de Paleobiologia da Universidade de Tübingen. Foram identificadas duas espécies de mariposas mineiras, Lyonetia clerkella e Leucoptera erythrinella, cujas larvas geram "redes" de seda que se estendem entre pontos de conexão de uma folha dobrada, particularmente promissoras para a transferência de princípios morfológicos e processuais para construção fibrosa de longo alcance. Vários conceitos foram extraídos dos modelos biológicos e transferidos para conceitos de fabricação e estruturais, incluindo: a combinação de uma subestrutura ativa e reforço de fibra sem núcleo para criar um quadro de enrolamento composto integrado, orientação de fibra e hierarquia em uma estrutura de longo alcance, além de processos de colocação de fibras volumétricas de vários estágios para a geração de geometrias tridimensionais complexas.
Fabricação cibernética-física em multi-máquinas
A criação de uma estrutura de longo alcance, além do espaço de trabalho do equipamento de fabricação industrial padrão, exigia uma configuração colaborativa onde vários sistemas robóticos pudessem interagir e se comunicar para criar um processo de colocação de fibras sem emendas. Uma fibra poderia ser passada entre várias máquinas para assegurar uma estrutura de material contínua. O conceito do processo de fabricação baseia-se na colaboração entre máquinas que fosse forte e precisa, ainda sim estacionárias, com alcance limitado e máquinas móveis de longo alcance com precisão limitada. No sistema experimental específico, dois braços robóticos estacionários industriais com a força e precisão necessárias para o trabalho de enrolamento de fibras são colocados nas extremidades da estrutura, enquanto um sistema de transporte de fibras autônomas, (de longo alcance, mas menos precisas) é utilizado para passar a fibra de um lado para o outro, neste caso um UAV personalizado. Combinando a liberdade e adaptabilidade desconexas do UAV com os robôs, abriu-se as possibilidades para colocar fibras sobre, em torno ou através de uma estrutura, criando o potencial para arranjos materiais e desempenho estrutural não viável com apenas o robô ou UAV.
Um sistema de controle adaptativo e de comunicação foi desenvolvido para permitir que vários robôs industriais e um UAV interajam ao longo dos processos de enrolamento e colocação de fibras. Uma interface de sensor integrada permitiu aos robôs e UAV adaptar seus comportamentos, em tempo real, às condições de mudança durante a fabricação. O UAV poderia voar e aterrar autonomamente sem a necessidade de pilotos humanos, a tensão da fibra foi ativamente adaptada e controlada em resposta ao UAV e comportamentos de robô. Um sistema de localização foi utilizado para criar um "aperto de mão" digital e físico entre o robô e o UAV de modo a passar a fibra para trás e para a frente ao longo do processo de enrolamento. A série de comportamentos adaptativos e sensores integrados estabelece as bases para o desenvolvimento de novos processos de fabricação multi-máquina, "ciber-físicos" para a produção de compósitos de fibra em larga escala.
Demonstrador integrativo
O Pavilhão de Pesquisa de ICD/ITKE 2016-17 foi criado pela colocação de um total de 184 km de vidro impregnado de resina e fibra de carbono. O sistema de materiais leves foi empregado para criar e testar um único balanço de longo alcance, com um comprimento total de 12 m como um cenário estrutural extremo. A superfície cobre uma área de cerca de 40 m² e pesa aproximadamente 1000 Kg. A estrutura realizada foi fabricada fora do local e, deste modo, o tamanho foi limitado para caber dentro de um volume de transporte admissível. Contudo, foram encontradas variações da configuração adequadas para fabricação in loco ou in situ, o que poderia ser utilizado para estruturas de comprimentos de fibras muito maiores e de maior comprimento.
A geometria geral do pavilhão demonstra as possibilidades de fabricar morfologias estruturais através de enrolamento volumétrico de fibra de multi-estágio, reduzindo o cofragem desnecessária através de uma estrutura compósita integrada e aumentando a escala possível de construção através da integração de processos robóticos e autônomos de UAV leve. Ele explora como os cenários de construção futuros podem evoluir para incluir sistemas distribuídos, colaborativos e adaptativos. Esta pesquisa mostra o potencial do projeto computacional e construção através da incorporação de capacidades estruturais, comportamento material, lógica de fabricação, princípios biológicos e restrições de projeto arquitetônico em projeto computacional integrativo e construção. O pavilhão prototípico é uma prova de conceito para processos de fabricação escalonáveis de elementos estruturais e compósitos de fibra de longa duração, adequados para aplicações arquitetônicas.
