competitionline campus 2018

Das Projekt in einem Satz:
Holzschalen werde mit Roboter vor Ort zusammengenäht.

Warum ist das Projekt besonders innovativ?
Neuartige dünne Holzschalen entstehen durch das Kombinieren von Robotik, computerbasiertem Entwerfen und Textildesigntechniken.

Projektbeschreibung:
„Zusammengenähte Strukturen“ untersucht die Anwendung von Techniken aus dem Bereich der Robotik, sowie den Einbau von Sensoren in Zusammenhang mit Textildesign und Industrienähen, um innovative Strategien für die Herstellung von dünnen Holzschalen zu entdecken.

Die zugehörige Forschung bezieht sich auf traditionelle, jedoch heutzutage gebrauchte Kleidermuster und Verbindungstechniken, und wandelt die im Kontext von neuen Materialien um. Die Logik hinter der zweidimensionalen Textilmustertechnik, häufig gebraucht in der Kleidermode, ist übertragen auf größeren Maßstab durch die Anwendung von dünnen elastischen Sperrholzplatten. Die vorgeschlagene Verbindungsmethode ist Zusammennähen. Vergleichbar mit Holzverkleben, diese Technik bietet zusätzlich die Möglichkeit an, Verbindungen zu erschaffen, die auch auf Zug beansprucht werden können. Die Nähtechnik ermöglicht die Verbindung der zugeschnittenen zweidimensionalen Holzteile, die, gehalten durch die erzeugte elastische Biegung, eine dreidimensionale doppelt-gekrümmte Struktur formen.

Ein adaptives Fabrikationsprozess, basierend auf Menschen-Roboter Kollaboration, ermöglicht die Verwirklichung von größeren Strukturen und, gleichzeitig, bekämpft die Schwierigkeiten erzeugt durch die komplizierte Geometrie der Teile und durch das Materialverhalten. Im Gegenteil zu wiederholbaren Manufakturprozessen, deren Automatisierung auf der Ausführung von vorgegebenen und komplett definierten Schritten beruht, verwendet das Projekt „Zusammengenähte Strukturen“ eine Sensortechnik, um auf das Materialverhalten der Struktur während der Robotik-Fabrikation reagieren zu können. Dabei wird die Struktur mehrmals während ihrer Herstellung gescannt. Die Lage der Nähverbindungen zwischen den einzelnen Holzteilen ist vorher markiert, so dass ihre Position im Raum durch die Sensoren in Echtzeit erkannt werden kann und der Roboter in die richtige Stelle gefahren wird. Dadurch werden die Holzteile nacheinander zusammengefügt und dauerhaft mit Nähten gebunden. Ein spezifisch dafür programmiertes Entwurfswerkzeug wurde entwickelt, um gleichzeitig Parameter über die Materialeigenschaften, die Robotik-Fabrikation und die Assemblierungslogik der porösen, welligen Gewölbe mit einzubeziehen. Das Zusammenspiel von Materialität und Materialisierung führt zur Herstellung einer zusammengenähten Holzschale, die das Verständnis über die Eigenschaften vom uralten Baumaterial Holz erweitert und einen neuen gewebeartigen und räumlichen Ausdruck entfaltet.

Das Projekt kann in vier zusammenhängenden Teilen gegliedert werden:
(1) Die Übertragung von Textilmustertechniken, häufig gebraucht in der Kleidermode, in Entwurf- und Produktionslogik von flexiblen 3 mm dünnen Sperrholzsegmenten;
(2) Die Eigenschaft der einzelnen Elementen sich elastisch zu biegen und, wenn zusammengebunden, eine stabile Konstruktion zu bilden;
(3) Die Anwendung von Nähen als innovative Verbindungstechnik für dünne Materialien;
(4) Die Integration von Nähen in ein automatisiertes und adaptives Robotik-Herstellungsprozess. Realisierbar durch die Anwendung von Sensoren, das Prozess ermöglicht die Erstellung von dreidimensional gekrümmten architektonischen Strukturen.

1. Die Elastizität der dünnen Sperrholzplatten erlaubt die Erforschung von Musterdesignstrategien, bekannt im Bereich der Textilmaterialien. Holz ist ein Anisotrop- und Naturfaserverbundwerkstoff - die dünnen Sperrholzplatten bestehen aus gestapeltem Schälfurnier und verhalten sich, deswegen, eher als dreidimensionales Textilgewebe. Abgesehen vom offensichtlichen Unterschied zwischen den Materialeigenschaften des Textilgewebes und des Sperrholzes, die größere Steifigkeit des Sperrholzes führt zu generellem Überdenken der Anwendung von Textilmustertechniken als Entwurfsmethode.

2. Buche ist eine der flexibelsten Holzarten mit einem maximalen Krümmungsradius von 370 mm. Es ist zusammengestellt aus drei Schichten 3 mm dickes Sperrholz, was ideal für das Biegen und das Zusammennähen ist. Eine empirische Testmethode wurde ermittelt, um die mathematische Beziehung zwischen den Abmessungen der einzelnen Segmente und deren maximalen Biegung, bevor sie Versagen, abzuleiten. Eine abgeleitete Gleichung wurde benutzt, um die maximale Biegungsleistung der einzelnen Holzteile zu berechnen.

3. Belastungsteste wurde durchgeführt um die Eigenschaften der Naht als Verbindungsmittel zu bestimmen. Die Ergebnisse zeigen, dass, wenn schlau verteilt, beides – Schrauben und Nähte, ähnlich beansprucht werden können.

4. Ein speziell für das Projekt gefertigtes Robotik-System wurde erschaffen, um die Integration von Sensoren zu gewährleisten und, daher, die, durch das vor-Ort-Zusammenfügen vom flexiblen Material, entstandene Komplexität zu bewältigen. Die Sensoren, deren Bewertung einem Kommunikations-System in Echtzeit angereicht wurde, ermöglichen das Roboter-Sehvermögen. Dadurch kann er, mit der industriellen Nähmaschine befestigt an seinem Arm, die vorher markierten Verbindungsstellen automatisch erkennen und zusammennähen. Gleichzeitig, Beschädigung der Struktur, verursacht durch zu starkes Ziehen oder Drücken, ist während der gesamten Herstellung beseitigt.

Die Forschung endet mit der Erschaffung eines innovativen Systems, dessen geometrische Erscheinung vom Arbeitsbereich und -logik der Nähmaschine abgeleitet wird. Die Relevanz der Methode wurde durch die Herstellung einer elastisch geformten Holzschale bewiesen. Damit wird auch die Biegungseigenschaft des gewählten Materials getestet und genutzt, um eine maximal große Fläche zu bedecken, und gleichzeitig, eine Menge an abgestufte Öffnungen zu erschaffen.

(Man kann das aussagekräftige Video über das Herstellungsprozess auf Vimeo sehen: https://vimeo.com/204169163)