Ενοποιημένη διαδικασία σχεδιασμού και ρομποτικής κατασκευής εφελκυόμενων ελαστικών πλεγμάτων

Abstract

Στις μέρες μας, οι δυνατότητες των μέσων ψηφιακού σχεδιασμού και ρομποτικής κατασκευής επιτρέπουν τη χρήση νέων υλικών για την παραγωγή σύνθετων δομών, κάτι το οποίο παλαιότερα θα προκαλούσε ασάφειες και ανακρίβειες κατά τη μεταφορά των ιδιοτήτων και της συμπεριφοράς τους από τη φάση σχεδιασμού στη φάση κατασκευής τους. Η παρούσα έρευνα αποσκοπεί στην ανάπτυξη μιας ενοποιημένης διαδικασίας ψηφιακού σχεδιασμού και ρομποτικής κατασκευής για την επίλυση τέτοιων ζητημάτων μέσα από το παράδειγμα της εφαρμογής ενός νέου-ελαστικού υλικού (νήμα ελαστομερούς πολυουρεθάνης) για την παραγωγή εφελκυόμενων ελαστικών πλεγμάτων σε πολλαπλές διαστάσεις. Συγκεκριμένα, στο ένα σκέλος γίνεται σχεδιαστική διερεύνηση μέσω της διαδικασίας εξεύρεσης μορφής (form-finding), στατικής και πολυκριτηριακής ανάλυσης, όπου ελέγχεται παραμετρικά η παραμόρφωση και η αντοχή του υλικού, λαμβάνοντας υπόψη τις δυνατότητες και τους περιορισμούς μιας προτεινόμενης διαδικασίας ύφανσης. Η διαδικασία βασίζεται σε γεωμετρικές, στατικές και κατασκευαστικές παραμέτρους, αλλά και περιορισμούς που στόχο έχουν την ανάλυση και προσομοίωση της μορφής, επιδιώκοντας τη δημιουργία ενός παραμετρικού αλγόριθμου για τον έλεγχο της ύφανσης του πλέγματος κατά τη φάση ρομποτικής κατασκευής του. Στο κατασκευαστικό σκέλος, σημαντικό στοιχείο διαδραματίζει η διερεύνηση και κατασκευή ενός εργαλείου τελικής δράσης (end-effector), το οποίο σε συνδυασμό με την κίνηση του ρομποτικού βραχίονα, επιτρέπουν τον έλεγχο χρήσης του υλικού και της πορείας ύφανσης του, λαμβάνοντας υπόψη τις ελαστικές του ιδιότητες και τη γεωμετρία των δομών προς υλοποίηση. Η διαδικασία που αναπτύσσεται αναφέρεται στην διαδοχική πρόσθεση νήματος και τοπικής συγκόλλησης κόμβων και ελέγχεται από τον αλγόριθμο λειτουργίας του βραχίονα για την κατασκευή του προκαθορισμένου ελαστικού πλέγματος με ακρίβεια. Τέλος, γίνεται πειραματισμός σε φυσικά πρωτότυπα μικρών διαστάσεων και αξιολογούνται τα αποτελέσματα, τα οποία προκύπτουν τόσο μέσα από την ψηφιακή διαδικασία σχεδιασμού και ανάλυσης, όσο και μέσα από τις δυνατότητες του αυτοσχέδιου μηχανισμού να εφαρμόζεται αποτελεσματικά στην κατασκευή ελαστικών πλεγμάτων.

Nowadays, the capabilities of digital design and robotic fabrication tools allow for the use of new materials for the production of complex structures, which previously would create ambiguities and inaccuracies, when transferring their properties and behavior from the design to the fabrication stage. The present research aims to develop an integrated procedure of digital design and robotic fabrication to solve such issues. In particular, this is done through the example of the application of a new flexible material (polyurethane elastomeric thread) for the production of tensile elastic mesh in various dimensions. Specifically, the first aspect of the design is form-finding, static and multi-criteria analysis, where deformation and tensile strength of the material are parametrically controlled, taking into account the parameters and constraints of a proposed weaving process. The procedure is based on geometric, static and fabrication parameters, but also limitations aiming at the analysis and simulation of the form, with final goal the creation of an algorithm for controlling parametrically the robotic weaving process of the mesh during the construction phase. In the construction aspect, an important element is the investigation and manufacturing of an end-effector tool, which, in combination with the robotic arm movement, allows the control of material use and the weaving process, taking into account its elastic properties and the geometry of structure to be implemented. The process that is developed refers to the sequential addition of thread and locally knotted nodes and is controlled by the operational algorithm of robotic arm to accurately develop the predetermined tensile elastic mesh. Finally, experimentation on physical prototypes in small dimension size is performed and their results are evaluated, which arise both from the digital design and analysis process and through the capabilities of the custom mechanism to be effectively applied for the fabrication of elastic meshes.