Descripción enviada por el equipo del proyecto. El Instituto de Diseño Computacional (ICD) y el Instituto de Estructuras de la Edificación y Diseño Estructural (ITKE) de la Universidad de Stuttgart han construido otro pabellón para la investigación biónica. El proyecto forma parte de una exitosa serie de pabellones de investigación que muestran el potencial del diseño novedoso, la simulación y procesos de fabricación en la arquitectura. El proyecto fue planeado y construido dentro de un año y medio por los estudiantes y los investigadores dentro de un equipo multidisciplinario de biólogos, paleontólogos, arquitectos e ingenieros.
El enfoque del proyecto es una estrategia de diseño de abajo hacia arriba en paralelo a la investigación biomimética de conchas compuestas de fibra natural y el desarrollo de nuevos métodos de fabricación robóticos para estructuras poliméricas de fibra reforzada. El objetivo fue el desarrollo de una técnica de enrollado para estructuras modulares 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 principios funcionales de estructuras ligeras naturales en cooperación con el Instituto de la Evolución y Ecología y el departamento de Paleobiología de la Universidad de Tübingen. A través del desarrollo de un método de fabricación robótico a medida, estos principios fueron trasladados en un pabellón prototipo modular.
INVESTIGACIÓN BIOMIMÉTICA
Esta investigación de estructuras ligeras naturales se llevó a cabo en una cooperación interdisciplinaria de arquitectos e ingenieros de la Universidad de Stuttgart y de biólogos de la Universidad de Tubingen en el Módulo: Biónica de Construcciones de Animales dirigidos por el prof. Oliver Betz (biología) y el Prof. James. H. Nebelsick (geociencias). Durante la investigación, el elitrono, una cubierta protectora para las alas y el abdomen de escarabajos, demostró ser un modelo de conducta adecuado para la construcción de material eficiente. 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 incrustadas en una matriz de proteína, permite propiedades del material diferenciadas localmente.
En colaboración con el Centro ANKA de Radiación Sincrotrón y el Instituto de Ciencia Fotónica y Radiación Sincrotrón en el Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT), se extrajeron modelos de alta resolución en 3D de varios élitros de escarabajos a través de una tomografía micro-computarizada. Junto con escaneos SEM de la Universidad de Tübingen, esto permitió un análisis de las estructuras internas complejas de la cáscara del escarabajo. La morfología de los élitros se basa en una estructura de doble capa que está conectada por elementos de soporte doblemente curvados en forma de columna, las trabéculas. La disposición de la fibra dentro de una trabécula fusiona los segmentos de la cubierta superior e inferior con fibras continuas. La distribución y articulación geométrica de la trabécula es altamente diferenciada a lo largo del caparazón del escarabajo. A través de estudios comparativos de varias especies de escarabajos voladores, se identificaron los principios estructurales subyacentes y se tradujeron en reglas de diseño para las morfologías estructurales.
LÓGICA MATERIAL Y ESTRUCTURAL
Sobre la base de la morfología diferenciada de las trabéculas y las disposiciones de fibras individuales, un sistema modular de doble capa fue generado para su aplicación en un prototipo arquitectónico. A través del desarrollo de herramientas de diseño y simulación computacional, tanto las características de fabricación robótica y los principios biomiméticos abstractos pudieron ser integrados simultáneamente en el proceso de diseño.
Polímeros reforzados de vidrio y fibra de carbono fueron elegidos como material de construcción, debido a sus altas prestaciones (alta resistencia al cociente de peso) y el potencial para generar propiedades diferenciadzs de los materiales a través de la variación del posicionamiento de fibras. Junto con su moldeabilidad sin restricciones, los polímeros reforzados con fibra son adecuados para poner en práctica las geometrías complejas y organizaciones materiales de los principios de construcción natural abstraídos. Métodos de fabricación convencionales para elementos compuestos de fibra requieren un molde para definir la forma. Sin embargo, este método resulta inadecuado para transferir los principios de construcción natural hacia aplicaciones arquitectónicas, ya que por lo general implican elementos únicos que requieren encofrados extensivos y moldes prohibitivamente complejos.
PROCESO ROBÓTICO DE ENROLLADO
Para la fabricación de los módulos geométricamente singulares de doble curvatura, se desarrolló un método robótico de enrollado sin núcleo, que utiliza dos robots industriales de 6 ejes para enrollar fibras entre dos efectores de acero hechos a medida sostenidos por los robots. Mientras que los efectores definen los bordes de cada componente, la geometría final emerge a través de la interacción de las fibras dispuestas posteriormente. Las fibras están primero tensadas linealmente entre los dos marcos efectores. Las fibras posteriormente dispuestas se encuentran sobre las anteriores y se tensan entre sí, lo que resulta en una deformación recíproca. Esta interacción entre fibras genera superficies de doble curvatura de conexiones de fibra inicialmente rectas. El orden en el que los fajos de fibra impregnada de resina (rovings) se enrollan en los efectores es decisivo para este proceso y se describe a través de la sintaxis de bobinado. La secuencia específica del bobinado de fibra permite controlar la disposición de cada fibra individual, lo que conduce a un proceso de diseño impulsado por el 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.
Los efectores son ajustables a diversas geometrías de componentes, lo que lleva a una sola disposición de la herramienta reconfigurable para los 36 elementos. El bobinado de filamento sin núcleo no sólo ahorra importantes recursos a través de la inutilidad de los moldes individuales, pero en sí mismo es un proceso de fabricación muy eficiente con respecto al material ya que no hay residuos o piezas de corte.
El proceso específico de fabricación robótica incluye el enrollado de 6 capas individuales de fibras de vidrio y 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 varían individualmente a través de la disposición anisotrópica de las 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 generada se transfiere a los robots y permite el enrollamiento automático de las 6 capas de fibra.
PROTOTIPO BIOMIMÉTICO
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. El elemento más grande tiene un diámetro de 2,6 m con un peso de sólo 24,1 kg. El pabellón de investigación cubre un área total de 50 m² y un volumen de 122 m³, con un peso de 593 kg.
La geometría general reacciona a condiciones específicas del espacio público alrededor del edificio de la universidad en las proximidades del parque. Al mismo tiempo demuestra la capacidad de adaptación morfológica del sistema, mediante la generación de disposiciones espaciales más complejas que una estructura de cáscara sencilla. El pabellón de investigación muestra cómo la síntesis computacional de principios estructurales biológicos y las reciprocidades complejas entre el material, la forma y la fabricación robótica, pueden llevar a la generación de métodos de construcción de compuestos de fibra innovadores. Al mismo tiempo, el enfoque de investigación multidisciplinar no sólo conduce a construcciones ligeras, performativas y eficientes, sino que también explora nuevas cualidades espaciales y amplía las posibilidades tectónicas de la arquitectura.
