Digital fabrication //
Tognarelli Giulia // Postelnik Tal
Introduzione
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L’Architettura
rappresenta idee, possibilità e creatività e oggi, grazie alla media digitale e alla tecnologia innovativa, raggiunge risultati infiniti che si possono ottenere dal punto di vista di forma del materiale, rappresentazione spaziale e possibilità di combinazione. La produzione digitale è il legame tra il modello virtuale e la realtà fisica costruita del progetto. Quando si parla di Digital Fabrication esistono varie tecniche per la produzione del progetto e queste sono:
Sectioning, Tessellating, Folding, Contouring. Nel nostro lavoro cercheremo di introdurre queste tecniche di base attraverso vari esempi.
Background
Alla
base di questa tecnica c’è il computer che si usa durante i vari steps del processo architettonico, dal concept fino alla costruzione. Digital Fabrication significa usare i dati digitali per controllare il processo di fabbricazione: i programmi di CAD (Computer Aided Design) formano la base per l’output ottenuto da macchine CAM ( Computer Aided Machine)
in grado di costruire l’oggetto costruito o tagliarlo in varie forme. La tecnologia dell’uso di CAD/ CAM è iniziata negli studi dell’industria aerospaziale più di mezzo secolo fa. La possibilità di produrre parti ottenute in questo modo variano in molti campi, dai motori fino alla realizzazione di componenti strutturali. Il procedimento inizia da un modello di prototipo che deriva dai dati inseriti nel computer; quando il modello CAD è definito, i dati vengono trasferiti alla macchina CAM che produce le parti in scala reale e in vari materiali come alluminio, acciaio, legno e plastica. I programmi CAD vengono usati da più di trent’anni: inizialmente i programmi sostituivano i disegni a mano poiché si poteva disegnare solo in due dimensioni; ma nonostante il metodo fosse cambiato, i risultati erano per lo più simili e gli edifici costruiti avevano simile aspetto. Solo quando sono arrivati i computer che modellano in tre dimensioni, e in seguito il Digital Fabrication, le possibilità del disegno architettonico di espandere i sui confini sono aumentate. Frank Gehry è stato il primo studio architettonico che nel 1989 ha iniziato ad usare i CAD/CAM procedimenti per i sistemi costruttivi
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del Disney Concert Hall. Il programma che hanno usato nello studio erano gli stessi usati nell’industria aerospaziale “CATIA” (Computer Aided Three Domensional Interactive Application). Inizialmente Gehry aveva previsto un edificio ricoperto in vetro e pietra; durante il procedimento architettonico sono stati realizzate delle macchine controllate dal computer in grado di scolpire una superficie di pietra per ottenere la forma desiderata. Il risultato, dal punto di vista economico e di tempi necessari per la produzione, si era dimostrato molto valido. Nel 2002 Gehry Partners ha creato “ Ghery Tecnologies” per trovare nuovi sviluppi per la prima versione di “CATIA” col fine di risolvere le complicazioni nei progetti.
ne richiede la traduzione dei dati grafici, di disegni in due dimensioni e di modelli tridimensionali, in dati digitali che i CNC (Computer Numeric Controlled Machine) possano leggere. Questo obbliga gli architetti ad imparare un nuovo linguaggio sia di software che di visione architettonica in generale.
Il procedimento di Digital Production integra vari aspetti del processo costruttivo tra i quali problemi meccanici, strutturali, estetici e dei costi che si possono controllare attraverso l’uso di questi programmi. Gli studi di architettura che fanno uso di questa tecnica sono numerosi oggi e tra i più emergenti si trova Foster & Partners , Zaha Hadid, Coop Himmelblau. Il passaggio tra il disegno e la costruzio
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la chiesa di Ronchamp, Le Corbusier
Disney Concert Hall, Frank O. Gehry
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Sectioning
I
piani e le sezioni sono gli strumenti più potenti che un architetto possiede. Questo mezzo di comunicazione è stato tradotto in un metodo di Produzione Digitale con i modelli digitali. Quando si tratta di geometrie molto complesse l’uso di Sectioning, che avviene prendendo numerose sezioni trasversali, porta a risparmiare tempo e soldi. Al posto di costruire la superficie stessa il Sectioning usa una serie di profili che con bordi seguono le linee di una forma geometrica. Questo metodo si può usare sia per superfici ma anche per componenti strutturali. La tecnica si usava inizialmente per costruire gli aeroporti e le navi, per ottenere le superfici a doppie curve; infatti il procedimento prevede inizialmente la costruzione dei costoloni strutturali e dopo la loro copertura con materiali di superficie. Il tetto della cattedrale di Ronchamp di Le Corbusier ne è un esempio e ha un’analogia con le ali dell’aereo. La costruzione della copertura è stata fatta con una serie di costole strutturali in cemento assemblate con una serie di travi secondarie.
I vantaggi di usare questo metodo sono evidenti: la struttura ottenuta ha un peso molto leggero e da un risultato molto preciso e semplice da montare. I mezzi che si usano nella tecnologia di Sectioning sono macchine che tagliano in tre assi come i tagliatori laser, CNC Routers, i tagliatori a getto d’acqua e i plasma cutters; tutti lavorano per tagliare materiali bidimensionali. Infatti Sectioning significa, alla fine, ottenere una forma tridimensionale attraverso l’uso di tanti elementi bidimensionali montati successivamente insieme. Il risultato finale dipende dalla forma globale e anche dal materiale scelto offrendo perciò un’ampia gamma di soluzioni.
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[c] Space
A l a n D e mp s e y e A lv in H u a ng, L ondra 2008 La struttura è stata progettata e costruita per celebrare l’anniversario del laboratorio di Design e ricerca all’ Architectural Association di Londra. Il padiglione ha le dimensioni di 50x10x10 metri ed è stata costruita seguendo la forma di una conchiglia. La struttura è composta da elementi di cemento rinforzato con fibre che aumentano la resistenza strutturale. I pannelli in cemento funzionano in questo caso come elementi di copertura, struttura, pavimentazione e anche arredamento. Le intersezioni tra i vari pannelli sono ottenute grazie ad un assemblaggio con guarnizione di gomma prefabbricate su misura, a seconda dell’angolazione che varia continuamente lungo la struttura. Tutto il disegno è stato progettato con una prototipazione tridimensionale digitale. La fabbricazione dei vari elementi è stata fatta direttamente dal modello digitale, usando CNC in grado di tagliare le tavole del cemento di tipo C-fiber di spessore di 13 mm e alcuni giunti in alluminio di 15 mm.
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Varie viste della struttura con i particolari degli elementi bidimensionali che costituiscono, assemblati inisema, il padiglione tridimensionale
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BURST*.003
S Y S T EMar c hite c ts , 2 0 06
Burst è una tipologia di case prefabbricate che funziona come un grande puzzle, formato da tanti pezzi di assemblaggio. Attraverso l’utilizzo di vari elementi prefabbricati si può scegliere la composizione finale della casa sia in ambito funzionale che estetico. Le varianti per la composizione della casa dipendono dal luogo, dall’orientamento, e soprattutto dai desideri e dalle necessità del cliente. La possibilità di formare un alloggio unico da un kit prefabbricato distingue le Case Burst da tutti gli altri brand che producono questa tipologia di residenze. La maggior parte della costruzione è fatta al computer dove è già stabilita la geometria della casa e di conseguenza i vari elementi da produrre come quelli strutturali, i muri, i pavimenti e i solai che vengono trattati fino all’ultimo livello di dettaglio. La formazione generale della casa e i vari elementi che la compongono è fatta esclusivamente con modelli 3D che successivamente vengono fabricati con una precisione assoluta.I pezzi tagliati a seconda del modello 3D vengono montati nel sito di costruzione dell’alloggio: una volta arrivati nel luogo desiderato i vari pezzi possono essere montati in poco tempo anche da persone senza esperienza costruttiva. La precisione nel tagliare i pezzi di legno compensato e l’accurata attenzione ai punti di connessione consente un telaio con una tessitura continua lungo tutto l’edificio.
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Modello digitale dei pezzi di assemblaggio
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Il momento del montaggio
Il sistema di travi
il risulatto finale
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Immagini dell`alloggio realizzato
tessellating
Tesselating E’ una collezione di pezzi che si
uniscono per formare un piano o una superficie. Usando la Tessellation si possono creare infinite soluzioni di forma unendole come un puzzle. I disegni di M.C.Esher sono spesso citati come un esempio. In architettura il termine si riferisce alle varie tessiture di mosaici bidimensionali usati come coperture di edifici e anche mesh. In antichità nel epoca romana, bizantinia e goticha hanno usato il Tesselating per formare gli antichi mosaici oppure le vetrate, nell’architettura islamica hanno uasto il tesselating per formare i muri di schermatura. Le superfici decorative erano usate per filtrare la luce, definire gli spazi o simboleggiare idee attraverso un linguaggio grafico che è moto diverso dall’uso che il Tesselating ha nel architettura moderna. Questi esempi storici erano tutti di tipo artigianale, fatti a mano; era perciò un procedimento intensivo e lunghissimo che richiedeva alte qualità tecniche della manodopera. La tecnologia digitale ha portato un nuovo interesse nel mondo del Design usando le tecniche della Tessellation e Pattering perché offrono una variazione e modellazione attraverso mezzi manifatturieri alternativi. Mentre i mosaici, i muri in mattone e an
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che le vetrate possono essere considerate tessellating, il termine “Digital Design” significa approssimare la superficie spesso curvata con polilinee e mash. Superfici curve sono tipicamente più complesse e costose da costruire rispetto a superfici dritte e la technica del Tessellation offre una strada per costruire forme curve lisce usando materiali bidimensionali. La Tessellation può essere formata da materiali tradizionali come mattonelle in ceramica o di argilla ma anche da materiali come alluminio o vetro. I mash sono formati da poligoni e suddivisioni. I poligoni approssimano superfici piene lisce; di solito è formato da triangoli e quadrilateri. Le suddivisioni sono più complesse e fatte con algoritmi matematici che approssimano la curvatura.
Huyghe + Le Corbusier Puppet Theatre M OS , Har v ar d U n iv e r s it y, 2004
Per celebrare il quarantesimo anniversario del Carpenter Center for the Visual Arts at Harvard University, l’unico progetto di Le Corbusier in nord America, questa struttura è stata costruita nel cortile esterno dell’edificio. La struttura organica del progetto è stata costruita da 500 pannelli di policarbonato a forma di triangoli allungati connessi fra di loro per formare una struttura rigida. Poichè i pannelli sono semplicemente imbullonati tra di loro tutta la costruzione è semplice da montare e smontare. I pannelli superiori sono stati montati in senso contrario per esporre la struttura ai visitatori. La sezione dei pannelli è spessa 9 cm e l’altezza massima del padiglione arriva fino a 3 metri al centro della struttura. Per irrigidire i pannelli di plastica, nel loro spessore è stato inserito una schiuma che dopo la presa diventa rigida, e quindi aumenta la rigidezza dello superficie triangolare stesso e di conseguenza di tutta la struttura. Un fine spessore di muschio copre la parte esteriore della struttura.
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Elementi in policarbo tra loro
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Vista interna
Modello 3D preparato con Rhino
onato a forma di triangoli allungati connessi
Spessore fine di muschio per coprire la parte superiore del padiglione
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Helios House
Offi c e d A an d Jo hn s to n Ma rklee & As s ocia t es , 2006- 7
L’obiettivo di questo progetto era di realizzare un padiglione di educazione per l’eco-sostenibilità. L’acqua, il riscaldamento, l’illuminamento e i sistemi di materiali nell’Helios House sono stati progettati e scelti per massimizzare l’efficienza. La copertura è l’elemento più emblematico del complesso: funziona come un elemento che incorpora varie caratteristiche architettoniche e tecniche. I pannelli triangolari in acciaio inossidabile formano una struttura continua che integra tutte le funzioni necessarie per l’attività educativa del padiglione. Durante il processo di progettazione un obiettivo importate era quello di ridurre al minimo il materiale necessario per la costruzione e di conseguenza anche i costi relativi al progetto.La struttura è costituita da 1653 pannelli separati che formano 52 pezzi trasportabili che sono montati già nella fabbrica e solo successivamente mandati al luogo dell’esposizione: perciò quando il progetto arriva al suo destinazione i pezzi da montare sono soltanto 52.
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Modello digitale del
lla suddivisione in 52 elementi che compongono la struttura
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I pannelli triangolari in acciaio nella soluzione finale
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Folding
significa trasportare una superficie piana bidimensionale in un progetto tridimensionale. E’ vantaggioso usare questa tecnica per gli elementi strutturali: la superficie piana aumenta la sua rigidezza attraverso il piegamento e quindi gli elementi progettati in questo modo hanno la possibilità di essere autoportanti. Quando si tratta di produzione di massa di una forma che si ripete, il Folding è molto adatto come tecnica. Negli ultimi quindici anni gli architetti sono riusciti a creare varie forme e superfici continue utilizzando il folding. Folding permette di realizzare progetti e idee che magari rimanevano soltanto in forma concettuali, espande il campo tridimensionale di una superficie attraverso la possibilità di deformazione e inflessione dopo la produzione. I materiali da usare sono piegabili per poter formare la forma e la posizione desiderata. Tra tutte le tecniche citate fin’ora questa è il metodo che offre più potenzialità per variazioni di forma. In questo processo, diversamente dagli altri metodi di produzione digitale, si tratta di formare grazie all’uso di strumenti di CAD/CAM forme tridimensionali in superfici bidimensionali. Un programma come Rhinoceros per
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mette proprio questo passaggio dalla tridimensionalità alle due dimensioni. Dal punto di vista della produzione sono i tagliatori laser che si usano per dare al materiale la caratteristica di essere piegabile. Con i laser si può controllare la profondità del taglio desiderato. Anche i water-jet e i plasma cutters sono utilizzati perché hanno la possibilità di forare il materiale per indicare i punti dove deve essere piegato. I materiali usati devono avere le caratteristiche di essere piegabili senza diminuire la loro rigidezza e quindi i più frequenti sono alluminio e i tessuti.
Folding
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Nubik
A EDS / A mmar Elo u e in i, K ens a s C it y 2005
Nubik era un’istallazione per una mostra nella Grand Art Gallery a Kansan City, Missouri nel 2005.Una serie di otto gruppi di elementi era sospesa dal solaio con cavi metallici.Gli elementi sono stati generati da una geometria iniziale di base ripetuta in composizioni diverse per ottenere un risultato finale vario e composto. Le varie geometrie sono tagliate da un foglio di policarbonato; i giunti sono fatti con zip-ties per permettere la massima flessibilità per il montaggio e lo smontaggio.
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Dopo il taglio con macchine CNC dei vari pezzi, si montano come un puzzle
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In-Out Curtain IwamotoScott, 2005
In-Out Curtain è un prototipo per una schermatura che integra origami con la produzione digitale, focalizzando sulla possibilità dell’utente di formare dei cambiamenti a seconda della necessità di luce e illuminazione. L’obiettivo era di creare una superficie trasformabile che può funzionare come un divisorio interno o un brie-soleil; i modelli che formano la superficie sono disegnati in un modo che unisce due forme distinte: In and Out. La formazione delle due posizioni è fattibile grazie ai tensori interni che rendono il materiale piegabile e determinano il suo angolo di elasticità.
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Il meccanismo dei vari elementi-origami che compongono la superficie dinamica
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Il risultato è una superficie dinamica per gli interni
Contouring
I
materiali da costruzione di solito arrivano in formato bidimensionale. Alcuni materiali come compensato, MDF e Lastre di pietra presentano una forma più complessa ma in essenza funzionano come superfici bidimensionali. Contouring è una tecnica che ri-raffigura queste superfici e crea in tre dimensioni dei moduli da cui scavare vari spessori del materiale. Nelle architetture tradizionali gli esempi di scavare nel legno o nella pietra per ottenere componenti strutturali che hanno un aspetto decorativo è una tecnica usata comunemente. Il lavoro artigianale era molto complicato e richiedeva lunghi tempi di produzione; infatti dopo la rivoluzione industriale non ci si poteva più permettere di perdere questi lunghi tempi. Solo oggi, grazie alla produzione digitale si può tornare ad usare gli elementi che sono simili per concetto alle colonne di origine greca o alle decorazioni degli archi nelle chiese gotiche. La fabbricazione digitale permette agli architetti di tradurre l’idea di origine artigianale in elementi architettonici moderni. Esistono diversi tipi di macchine per realizzare progetti in scala architettonica: i più comuni sono macchine CNC a due assi e
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mezzo, a tre assi oppure laser a cinque assi. Quando si parla di assi si intende in pra-tica il numero di gradi di movimento in cui la macchina è in grado di tagliare. Le macchine con tre assi per esempio si possono muovere simultaneamente negli assi x, y ,z; in altre parole la lama può muoversi in ogni direzione del piano orizzontale e verticale. L’ unica differenza tra questa macchina e quella con più gradi di libertà è che la lama di quella a tre assi non può ruotare e quindi non si possono creare tutte le forme tridimensionali che la macchina a cinque assi può creare. L’ andamento del taglio può essere fatto con linee parallele, a spirale, con linee lisce, rigide o a gradini, a seconda della scelta del progettista e del materiale. Quando tutte le variabili del progetto sono state specificate bisogna trasformare il file attraverso un generatore tool-pathdata che crea un linguaggio che si chiama G-code. Il linguaggio contiene una serie di operazioni e comandi per il lavoro che la macchina deve compiare: posizione della lama in ciascun punto, velocità, spessore del taglio, angolo del taglio, ecc. .
Bone Wall U r ba n A & O , 2 0 0 6
Il disegno del Bone Wall inizia con un modulo che forma una cellula di base. Ogni cellula ha otto “control points” (punti di controllo che permettono variazioni solo tra le linee dei due punti); così il disegno del muro può essere modificato, mantenendo sempre le condizioni di unanimità tra le varie cellule. Le cellule sono state fabbricate da un “hight density foam” tagliato da un incisore CNC da 5 assi. Da vicino si possono notare i segni di taglio che ha lasciato il CNC; le varie cellule sono poi state unite a mano con un adesivo.
la cellula di base ripetuta nel modello 3D per creare la superficie
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Il processo di incisione della macchina CNC mill
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MetĂ cellula di base
l’assemblaggio della parete
Bibliografia // L i s a I w amo to , ” D ig ital F a brica t ions ” , Princt one Archit ect u re P r ess, New-Yor k, 2009 // B . K o l a r e v ic , “A r c hite c tu re in t he Digit a l Age: Des ign a nd Ma n ufac tur ing ”, S p on Pr ess, New-Yor k, 2003 // w w w .u r ban b an o . c o m // w w w .M O S .c o m // w w w . I w amo to S c o tt .c o m // w w w .o f f ic e ad. c o m // w w w .a a s c ho o l. c o m // w w w .S Y S T EMar c hite c ts . c om // w w w . A ED S . c o m
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