DIGITALLY FABRICATED PROTOTYPES

This project was developed within the Innovation in Architecture: Technology and Design Master’s Program at the Universidad de Sevilla. The aim was to design and model a digital prototype that could later on be fabricated with CNC machines. Initial conditions were to effectively merge a square shape into a circle. Parametric tools were developed, in order not to design a solution, but rather design a whole family of possible solutions. Here is an excerpt of the project’s final report:

1. DISEÑO – PROPUESTA A

El ejercicio de generación de la geometría proponía aparentemente una complejidad: unir un cuadrado y un círculo mediante una superficie continúa y que contenga a ambas.

No obstante, de manera implícita en el enunciado también sabemos que esta superficie compleja debe representarse mediante costillas planas para que la superficie se pueda realizar con los medios facilitados.

Creemos que la segunda premisa es mucho más restrictiva y compleja que la primera, pues al trabajar superficies complejas generadas por curvas simples comprobamos que no es posible relacionar la forma de las curvas con la geometría del  objeto origen, por eso la construcción del modelo debía de poder amoldarse, tallarse o rectificarse durante el proceso para ir mejorando el resultado mediante un proceso de optimización.

Para posibilitar el moldeo de la forma del modelo hemos recurrido desde el primer paso del diseño a programas de diseño paramétrico. En el siguiente video se pueden ver los primeros ensayos:

Mediante programas paramétricos podemos controlar una gran cantidad de soluciones dependiendo éstas de las incógnitas libres que dejemos en el árbol de generación.

Para diseñar el modelo hemos partido de la premisa de no marcarnos más restricciones de las imprescindibles. Para eso no hemos tomado ni el cuadrado como base del modelo, ni el círculo como cota más alta de éste, proponiendo patas para apoyar la maqueta y miradores para generar puntos altos. La solución propuesta está realizada con muy pocos parámetros de partida: 1 circulo, 1 cuadrado,1 mirador, 8 curvas ,3 patas, 1 atrio,1 patio interior…

Para ver el proceso de diseño de la geometría podemos ver el siguiente video:

La forma final afinada responde a elementos plásticos y de relación como:

La continuidad propuesta por el enunciado, la lógica estructural para que las patas estén separadas, la simplicidad deliberada de las curvas generatrices, la altura del mirador, la altura del atrio…. Todo ello implementado en la aplicación paramétrica.

Independientemente del fin material de este ejercicio, es mucho más interesante lo que no se hace, más que lo que se hace.

1. DISEÑO – PROPUESTA B

Las premisas del ejercicio hablaban de una superficie que uniera un cuadrado con un círculo. Como alternativa experimental, en la Propuesta B pasamos por alto las condiciones dimensionales y liberamos las geométricas. Al igual que en la Propuesta A, nos pareció que trabajar sólo en superficie reducía el potencial de la propuesta, y volvimos a optar por trabajar volumétricamente.

De nuevo en este caso, diseñamos una rutina paramétrica para crear el volumen del prototipo. Con diferencia, lo más interesante de este Ejercicio (y creemos que del resto) nos ha parecido poner el énfasis en los procesos más que en los objetos finales: no diseñar productos, sino diseñar producciones capaces de producir productos.

Esta vez, nos basamos en la curva de Bézier como generadora de la forma, y diseñamos una herramienta capaz de unir el cuadrado original con el círculo original a través de una doble capa de familia de curvas de Bézier. Todo personalizable: tamaño del cuadrado y del círculo, posición relativa de uno sobre el otro, ángulo y módulo de las tangentes de las curvas, densidad de la malla, etc.

De esta forma, el objeto crece y se deforma a placer. Diseñamos una forma de producir formas, y nos asombra en la exploración de sus posibilidades: nos regala las formas que habíamos intuido, y nos sorprende con otras tantas que ni siquiera habríamos esperado concebir…

Elegimos el objeto final, una suerte de torre esbelta pero firme. Exprimimos su estabilidad al máximo, queremos que se erija altanera y orgullosa, hasta el límite de lo mundanamente posible: el largo de un panel de DM.

2. PRODUCCIÓN

El proceso de producción se ha basado en la generación de una definición paramétrica que ejecuta de manera automática todos los comandos necesarios para convertir la geometría en costillas planas para su prototipado mediante corte láser.

Durante el proceso de diseño del montaje nos dimos cuenta que era imprescindible para el ensamblaje que la maqueta se construyera con costillas radiales y horizontales, pues al tener un hueco interior el orden de montaje de las piezas es variable en función de la geometría.

Esta decisión nos ha hecho tener que diseñar una definición específica para este caso especial. La definición de corte se ha realizado de manera manual pero una vez terminada es capaz de cortar cualquier tipo de superficie cerrada sobre sí misma, con un hueco interior según costillas horizontales y verticales radiales.

La definición paramétrica de producción de la maqueta realiza las siguientes funciones:

1. Genera curvas planas horizontales y verticales radiales a un eje central dado (no tiene porque ser el centro geométrico del objeto).

2. Abate las curvas en una superficie plana a determinar.

3. Enumera las curvas para identificarlas durante el montaje.

3. FABRICACIÓN

Para realizar las maquetas hemos tenido que utilizar diversos programas intermedios propuestos por el equipo del FAB LAB para que los equipos CAM leyeran de manera eficaz la información facilitada por nuestra definición paramétrica. La geometría ha pasado de Rhinoceros a AutoCad y de Autocad a Corel, como programa de lectura del software CAM.

Uno de los aspectos más interesantes de este Ejercicio ha sido también la necesidad de tener siempre en mente el proceso de fabricación material del objeto mediante las herramientas disponibles y su funcionamiento. Aspectos como la dimensión del material, la potencia del láser, el orden del corte, etc, fueron determinantes en el diseño del objeto y en el pre-proceso de fabricación.

La distribución de las piezas en las planchas de corte ha sido manual. Existen rutinas de optimización de distribución de áreas en superficies, aunque eso lo descubrimos más tarde. Además, según las recomendaciones del ‘fabricante’ (el FAB LAB), tuvimos que evaluar la potencia del láser para las líneas de las piezas (grabado para las anotaciones y corte 100% para la silueta de las piezas) y el orden de corte de las mismas, esto último muy importante, teniendo en cuenta que la disposición de muchas piezas era concéntrica, y conviene cortar las piezas de dentro a fuera para evitar desplazamientos indeseados del panel.

Debido al tamaño de la maqueta hemos necesitado tres planchas de madera DM de dimensiones 800×400x3 mm (alto x ancho x espesor) para la Propuesta A y cuatro para la Propuesta B.

Pese al trabajo de identificación de las piezas mediante textos grabados en ellas, durante el proceso de montaje hemos necesitado el modelo tridimensional para ir referenciando las costillas con su posición en el espacio.  Aún así hemos el proceso de montaje duró aproximadamente 1 hora y no se utilizó ningún tipo de pegamento para unir las piezas.

4. IDONEIDAD

En el proceso de generación de la maqueta desde el modelo inicial han destacado varios aspectos:

Al diseñar la geometría sin restricciones de tamaño nos hemos encontrado con que nuestros modelos son los más pesados de todos los propuestos y los que consumen más material. Hemos barajado incluir en el proceso un paso intermedio de aligerado mediante vacíos pero finalmente no se ha implementado en los modelos fabricados.

Cuando elegimos el método constructivo por medio de costillas radiales verticales y horizontales no teníamos muy claro cuanta rigidez iba a alcanzar la maqueta. Por la configuración del montaje las costillas horizontales quedan sólidamente unidas por las verticales y no se pueden sustraer una vez montado. Este hecho hace al conjunto mucho más rígido de lo esperado.

La configuración de planos horizontales y verticales evoca de manera directa arquitecturas compartimentadas. Para enfatizar esto hemos colocado muñecos que dan escala a la maqueta, proponiendo los espacios que proponíamos en el proceso de diseño.

5. CONCLUSIONES

A nivel práctico, surgen varias cuestiones optimizables después de la experiencia de la fabricación.

Con diferencia, el mayor problema con el que nos encontramos fueron las tolerancias del corte láser. Y en realidad el problema fue la absoluta precisión del corte del mismo en el DM. Para un panel de 3 mm diseñamos un machihembrado de las costillas de exactamente 3 mm, asumiendo que el ancho del corte nos daría suficiente holgura de montaje. En la Propuesta A fue suficiente, pero para la Propuesta B se manifestó como una mala decisión, ya que la combinación de exactitud del corte y rozamiento del DM dificultó terriblemente el montaje del prototipo, hasta el punto de que algunas costillas quebraron y la mayoría no pudieron alcanzar su profundidad real. La experiencia futura en otros prototipos dictará la relación entre el sobreancho del machihembrado y la longitud total de juntas en el objeto, fácilmente implementable en la definición paramétrica.

Por otro lado, creemos que tener en cuenta la forma de las costillas colocadas en el panel daría lugar a patrones de fabricación más óptimos, con menos desperdicio de material. Entendemos que este proceso es difícil, por lo específico del parámetro en las etapas tan tempranas del diseño, pero es un nivel creciente de complejidad investigable.

Y a nivel teórico, sin lugar a dudas nos reafirmamos en la conciencia de que lo más interesante ha sido el diseño de los procesos y el énfasis en los mismos. La posibilidad de creación de una herramienta personalizable nos libera del tedioso proceso iterativo de prueba-mejora-prueba-mejora…, a la vez que nos proporciona una familia de posibilidades tal vez intuidas pero no imaginadas, abiertas a la exploración y el descubrimiento.

Además, es imprescindible relacionar el diseño de la forma con el conocimiento del proceso material de fabricación y sus detalles. No es lo mismo pensar en la forma teórica digital, que intuir la realidad del objeto físico construido. Probablemente, si hubiéramos optado por una matriz ortogonal de costillas, el ejercicio hubiera sido completamente diferente…

Link to the developed Radial Grillage Definition.

In collaboration with Bernardino Morillo Merino and Luis do Campo Hohr.

May 30, 2010 | Categories: Design, Experimental, Featured | 1 Comment »