Fabricação digital com braço robótico

FABRICAÇÃO DIGITAL COM BRAÇO ROBÓTICO Marcelo Ribeiro Chaves Orientadora: Verônica Natividade Corientador: William Barbosa

LABORATÓRIO 7_ CADU SPENCER E PEDRO ÉVORA

Sumário 5 Glossário 6 Introdução 8 Os movimentos digitais na arquitetura 9 A Primeira Virada Digital 12 Os métodos (90-00) 16 A Segunda Virada Digital 18 O papel do arquiteto 19 Métodos de Fabricação Digital 20 Estratégias de Fabricação 20 Digital 22 A Máquina 26 Uma breve história do braço robótico 30 Cooperação 30 homem-robô e o robô-construtor 34 Referências 36 R-O-B Unit 38 Communication Landscapes 40 Mobile Robotic Fabrication System for Filament Structures 42 Cyber Physical Macro Material 46 Relatos Práticos 46 Hyper Threads 56 Desenvolvimentos Futuros 60 Bibliografia

Glossário Superfície Desenvolvível: Superfície sem curvatura Gaussiana, ou que pode ser desdobrada em uma superfície plana sem distorção.

Spline: Termo utilizado para definir uma família de curvas complexas, definidas matematicamente. O termo foi emprestado da construção de barcos, pois o processo de descrição remete a maneira como as curvas suaves de um navio são fabricadas Internet of Things: Conceito de uma grande rede de objetos conectada além do s objetos habituais. Este conceito amplia a conexão para qualquer objeto cotidiano como por exemplo, geladeiras, lavadouras e carros.

Machine Learning: Sistema de análise de dados, ramo de estudo da inteligência artificial. Os computadores aprendem a partir da identificação de padrões numa ampla quantidade de dados.

CAD: Computer Aided Design CAM: Computer Aided Manufacturing Iteração: Ato de repetir, operações sucessivas. Termo comum em algorítimos para definir a quantidade de vezes que uma determinada solução deve ser calculada, considerando que cada iteração se aproxima mais de uma solução ideal.

Interação: Comunicação entre dois objetos ou pessoas que interagem

Introdução Objeto de estudo Justificativa Este trabalho apresenta uma pesquisa sobre fabricação digital na arquitetura com foco na fabricação com braço industrial.

Local Como é um trabalho prático, não possui sítio definido.

Método A pesquisa será conduzida através de experiências práticas e seus relatos.

Este caderno está estruturado nas seguintes partes: 1.o breve levantamento teórico por trás do movimento digital e as mudanças na arquitetura das últimas três décadas causadas por ele; 2.a apresentação da ferramenta e seu funcionamento; 3.apresentação das diferentes estratégias de fabricação, com exemplos construídos e; 4.demonstração prática já executada pelo aluno;

A arquitetura sofreu grandes alterações nos últimos anos com o advento de novas tecnologias e na maneira como interagimos com estas. Repensar o modo de projetar e construir arquitetura tem sido um assunto estudado por muitos arquitetos ao redor do globo. Portanto este assunto tem se mostrado de muita relevância para a produção dos futuros arquitetos.

Objetivo Este trabalho tem como objetivo testar uma técnica de fabricação digital com braço robótico. Entendendo as suas limitações e vantagens explorar possíveis formas que podem ser geradas a partir da técnica.

Os experimentos foram realizados com o apoio do Instituto Tecgraf/PUC-Rio, utilizando o seus equipamentos.

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Os movimentos digitais na arquitetura Durante os últimos trinta anos, nós nos envolvemos cada vez mais no universo digital. Com os computadores e outros dispositivos se tornando mais acessíveis, eles permeiam cada vez mais as nossas vidas. Portanto, a maneira como trabalhamos e como concebemos o design não poderiam deixar de ser afetadas por este processo.

Um dos principais teóricos de arquitetura contemporânea, Mario Carpo, explica que a arquitetura e o design

passaram por duas grandes viradas digitais nas última décadas (Carpo, 2016). Segundo o autor, o entendimento do papel da fabricação digital no processo de design possibilitou que arquitetos ao redor do globo desenvolvessem “novos estilos de arquitetura” (Carpo, 2016).

Museu Guggenheim (1992), Bilbao, Frank Ghery

A Primeira Virada Digital A primeira virada digital foi resultante direta da introdução dos computadores nos escritórios de arquitetura e design, quando os softwares CAD (Computer Aided Design) com interfaces mais amigáveis foram lançados.

O AUTOCAD em 1982 e do Form-Z em 1991. Estes softwares eram capazes de traduzir informações, analogamente a forma como arquitetos comprimem informações em desenhos analógicos. Uma expressão matemática simples f(x) = ax + b é uma forma de comprimir uma informação infinita. Com esta fórmula é possível descrever qualquer ponto de uma reta infinita. Este avanço, aparentemente simples, permitiu descrever e representar geometrias complexas geometrias que o método tradicional de representação, por meio de vistas e seções paralelas, se demonstrou inadequado para representar. Na sequência o computador era capaz de armazenar a informação comprimida em expressões e redesenhar as geometrias quando precisasse, sem ter que guardar uma quantidade absurda de dados.

A fabricação digital , que já era amplamente presente nas indústrias auto-

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mobilística, aeronáutica e naval, passou a ser incorporada na Construção Civil. Essa incorporação, que trouxe equipamentos como as máquinhas CNC, permitiu que as arquiteturas digitais passassem a ser construídas.

Alguns arquitetos pioneiros aderiram a estas novas tecnologias e começaram a experimentar novas possibilidades em seus projetos. Nesse Contexto Frank Gehry é considerado o divisor de águas desta transformação com seu museu Guggenheim em Bilbao (Carpo, 2016). Seguindo o exemplo de Ghery, outros arquitetos diversos desenvolveram seus próprios projetos de arquitetura digital, parte deles apostando nas novas formas extravagantes que se tornavam viáveis de serem desenhadas e produzidas, é característico desta era o estilo bubble, exemplificado por uma arquitetura de curvas contínuas e amórficas, como o pavilhão da BMW de Benhard Franken. Entretanto, o importante não eram estas formas extravagantes, mas os processos que as geravam como afirma Piccon (2010): “ Entretanto, este foco na forma, não deveria reluzir a questão a meramente uma obsessão estilístiFabricação Digital com Braço Robótico | 9

ca”i. Esse novo modo de desenho foi possibilitado estas novas técnicas de representação digital, categorizadas por Kolarevic (2000), que eram o objeto de estudo destes arquitetos digitais.

Com o progresso dos computadores que se tornaram mais potentes, e com maior capacidade de armazenamento, novas questões surgiram junto com a era da informação.

Comprimir dados já não é mais necessário, graças a nova capacidade de processmaneto e armazenamento ods computadores (Dennis Dollens, 2002). Antes havia supressão de informação. Os modelos digitais, pelo contrário, são capazes de incorporar mais informações e até reagir a elas.

Com os modelos digitais se torna dpossível representar mais aspectos da construção do que com os desnhos tradicionais. Há um excesso de informação, e a questão é como lidar com este excesso de dados armazenados, entitulado Big Data e como ele tem influenciado na nossa produção e na vivência do espaço. Esta mudança resultou no que Carpo (2016) chama de Segunda Virada Digital, que representa o momento que vivemos agora e será apresentado na próxima

seção deste trabalho

Exemplo de arquitetura bubble Pavilhão de exibição da BMW (1999) Frankfurt, Benhard Franken

i ”However, this focus on form should not lead to the reduction of the quest to a mere stylistic obsession.”.

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Os métodos (90-00) Em 2000 Branko Kolarevic categorizou os métodos de arquitetura computacional que surgiam na primeira era digital da arquitetura (Rivka Oxman, 2006). Este evento é importante, pois foi uma das primeiras taxonomias de arqutieturas digitais baseada em método, demonstrando a importância dada ao processo generativo e não a iconografia da época.

Estes são: Arquitetura topológica: ruptura com a geometria Euclidiana de volumes discretos em planos cartesianos. Topologia é o estudo de qualidades intrínsecas de formas geométricas que não são afetadas por tamanho e formato. As NURBS se tornaram a base do desenho, pois no espaço topológico, geometrias são definidas por funções paramétricas.

Arquitetura Isomórfica: formas isomórficas são objetos amorfos construídos a partir de parâmetros de forças internas de massa e atração.

Eles exercem campos de adição e subtração. A geometria é construída pela computação de uma superfície resultante destas forças.

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Arquitetura Animada: Alguns arquitetos como Greg Lynn começaram a utilizar softwares de animação para gerar formas, utilizando as ferramentas disponíveis de simulação de movimentos e física, considerando forças e massa . Essa técnica possibilitou visualizar forças de atração de objetos no espaço, a arquitetura gerada é uma interpretação do arquiteto dos parâmetros que geraram estas forças.

Exemplo de Arquitetura Topológica no museu Guggenheim

Exemplo de Arquitetura Isomórfica noPavilhão Expositivo BMW

Arquitetura Animada por Greg Lynn

Arquitetura Metamórfica: Arquitetura metamórfica utiliza várias técnicas, deformando objetos a partir de um conjunto dado de regras.

Arquitetura Paramétrica: No design paramétrico, não é a forma que é estabelecida, mas seus parâmetros. A lógica é determinada pelo designer e a partir das mudanças de valores dos parâmetros novas configurações ou geometrias surgem. A lógica define a interdependência dos objetos e seus comportamentos, geralmente na forma de algoritmos.

Arquitetura Evolucionária: Consiste em criar regras generativas para a forma da arquitetura, semelhantes a um código genético. Esta regra evolucionária pode ser acelerada por simulações em modelos tridimensionais.

Arquitetura Metamórfica Astana Columns, 2017 Michael Hansmeyer

Arquitetura Paramétrica por Marcos Novak

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Estes métodos representam alguns dos primeiros experimentos na década de 90 e comprovam a gama de possibilidades metodológicas que os processos digitais permitiram.

Além dos blobs e das formas meramente extravagantes. Como Kolarevic (2002) afirma posteriormente, as ferramentas digitais não são apenas representativas, mas participantes ativas da geração da arquitetura: “Na arquitetura contemporânea, mídias digitais estão incrementalmente sendo utilizadas não como ferramenta tradicional, mas como uma ferramenta generativa para a derivação da forma e sua transformação”i (Kolarevic, 2002).

A revolução digital aconteceu e é irreversível, isto é fato, e já modificou a maneira como concebemos, usamos e construímos os espaços (Kolarevic, 2002). Para que esta arquitetura que surge em um espaço virtual se tornasse física, foi necessário o avanço tecnológico que possibilitasse a interação entre os dois lados desta realidade - digital e físico. A fabricação digital foi importada para a arquitetura ao ao mesmo tempo que os i

processos aqui narrados. A partir do entendimento desses fatos, este trabalho busca demonstrar métodos de fabricação digital utilizando braços robóticos, por proporcionarem ampla mobilidade e adaptabilidade, quando comparado às máquinas tradicionais de fabricação ( Wiimann et al, 2018).

Ongreening Pavilion, Londres, 2014 Ramboll Computational Design Os modelos tridimensionais carregam mais funções do que apenas a representacional, pela quantidade de informações que possuem.

Eles passaram a ser formas de teste e avaliação interativas.

Neste exemplo é usado um software de análise estrutural para determinar a melhor forma de dispor as linhas da estrutura. Além de, ao final do processo, o modelo possuir as informações necessárias para a construção.

“In contemporary architectural de-

sign, digital media is increasingly being used not as a representational tool for visualization but as a generative tool for the derivation of form and its transformation” 14 | LABORATÓRIO 7

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“quando a virada digital chegou nos anos 90, arquitetos -- não todos, mas os melhores-- adotaram as ferramentas digitais e abraçaram a mudança digital antes de outras disciplinas, indústrias ou profissões criativas. Neste caminho, era uma tecnologia feita para produzir variações, não cópias idênticas; customizadas, não produtos padronizados…”i Mario Carpo (2016)

A Segunda Virada Digital A segunda virada digital acompanha o advento do grande fluxo de informação que os computadores são capazes de armazenar e analisar, termo também conhecido como Big Data.

Pela primeira vez na história, a quantidade de informação disponível excede a quantidade de informação solicitada (Carpo, 2016). A quantidade de informação disponível atualmente é excessiva para que possamos analisar a sua totalidade. Nós, seres biológicos, precisamos organizar a informação, para que possamos entender e buscar dados específicos, uma vez que analisar tudo tomaria tempo demais (Carpo, 2016). Os computadores entretanto, são capazes de analisar cada pedaço desses dados em um tempo menor e encontrar as respostas mais adequadas para os parâmetros fornecidos.

No processo de design estes acontecimentos geraram novas maneiras de busca formal. Entretanto, uma atribuição básica da nossa profissão é a execução do projeto, ou seja, aquilo que desenhamos precisa se tornar real e precisa permanecer estável no mundo físico, não pode cair. Como buscar a melhor forma estrutural e provar a sua viabilidade? Um calcu16 | LABORATÓRIO 7

lista seria capaz de calcular algumas poucas iterações em algumas horas de trabalho, ele precisaria de experiência, e não necessariamente seria capaz de encontrar a melhor solução, mas uma solução funcional e que ele seja capaz de calcular. Entretanto, é nesse momento que a máquina se mostra útil, ela é capaz de calcular centenas e talvez milhares de iterações, se aproximando cada vez mais do que seria a solução ideal para as diretrizes estabelecidas pelo arquiteto, enquanto este pode se concentrar em outras atividades.

Essa nova técnica, intitulada por Carpo (2016) como “search, don’t sort” possibilitou a geração de estruturas muito mais complexas que os métodos tradicionais. O método construtivo precisou também acompanhar as mudanças e as ferramentas digitais de alta precisão foram trazidas para a arquitetura. Os novos “estilos digitais” (Carpo, 2016), também só foram possíveis graças à fabricação digital.

A fabricação digital em massa não precisa fabricar cópias idênticas para ser viável, diferente da indústria moderna, ela pode fazer aquilo que as linhas de produção industrial não eram capazes: fabricação customizada em massa, uma vez que fabricar o mesmo item várias vezes, não torna a produção mais barata. i

“when the digital turn came in the

1990s, architects—not all of them, but the best—adopted digital tools and embraced digital change sooner than any other trade, industry, or creative profession. For this was a technology meant to produce variations, not identical copies; customized, not standardized products...” Tradução livre do aluno

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O papel do arquiteto A arquitetura digital não é a busca de um estilo formal, desenhando blobs projetados por computadores.

O movimento fala do surgimento de novos métodos de projeto e fabricação que refletem o zeitgeist da era da informação (Kolarevic, 2005). Não se trata apenas do objeto criado, mas da maneira como ele é pensado e produzido. O computador não é capaz de substituir o arquiteto, pois o problema da arquitetura excede a técnica, ela passa por problemas históricos, locais e sensitivos que requerem uma avaliação humana. O arquiteto ainda é o projetista, ainda faz as escolhas.

As ferramentas digitais não o substituem, mas oferecem ferramentas mais poderosas, com capacidades diferentes das tradicionais, como afirma Piccon (2000): “Se os compurtadores por si não impõe formatos, eles têm certamente contribuído para uma mais ampla gama de possibilidades oferecidas aos projetistas” i

sidade do arquiteto se reaproximar do canteiro de obras e dos processos construtivos pois, como information master-builders (Kolarevic, 2002). É necessário que os arquitetos tenham domínio dos novos processos construtivos.

Métodos de Fabricação Digital São mais conhecidos atualmente três métodos de fabricação digital: Aditiva: Trabalha adicionando material até alcançar a forma final. e.g: Impressão 3D. Subtrativa: Trabalha a partir de um bloco. A ferramenta opera removendo camadas subsequentes de material. e.g. CNC Router Formativa: Utiliza formas para moldar materiais plásticos, como concreto.

Acima, impressora 3d, máquina clássica de fabricação aditiva; no centro, Router, fabricação Subtrativa e; abaixo, exemplo de concreto moldado .

A revolução digital abre novas possibilidades e demandas, como a necesi

“If ‘ computers per se do not impo-

se shapes’ they have certainly contributed to broaden the range of possibilities offered to designers.”

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Estratégias de Fabricação Digital Definidas as ferramentas utilizadas para fabricação digital, algumas estratégias de manipulação dos materiais se tornaram mais populares (Dunn, 2012). Essas estratégias são principalmente definidas pelos materiais e ferramentas hoje conheciodos.

Usaremos a classificação referente à técnica de produção digital definidas por Lisa Iwamoto (2009) e Nick Dunn (2012). Elas são: Seccionamento (Sectioning): O uso de seções ortográficas paralelas de um objeto tridimensional, permitindo o corte em materiais planos. As seções, quando justapostas no espaço formam o objeto.

remove material, fazendo o contorno da forma desejada. A técnica se aproxima à maneira como os artesãos talham esculturas em madeira ou pedra.

Moldagem (Forming): Técnica tradicional de moldagem com formas, como a moldagem de concreto em obras.

Exemplo de Seccionamento.

Burnham Pavilion, 2009 Chicago, Zahha Haddid Architects

Exemplo de Tesselação.

Marble Curtain, National Building Museum, Washington D.C., 2003.

Tesselação (Tiling): O uso de uma coleção de peças que juntas,formam um plano ou superfície no espaço.

Exemplo de Contornamento.

CNC Router em processo. mTable, 2002, Gramazio Kohler.

Estrutura feita por moldagem.

Block Research Group, ETH Zürich, 2017.

Dobradura (Folding): O ato de tornar uma superfície plana em uma tridimensional.

Contornamento (Contouring): Como muitos dos materiais tradicionais são vendidos em prismas regulares, esta técnica parte da sua forma inicial e 20 | LABORATÓRIO 7

Exemplo de Dobradura Theatre Agora, 2007, Lelystad, UNStudio

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A Máquina Robôs industriais são máquinas multifuncionais programáveis construídas para mover partes, materiais ou equipamentos especiais por vários movimentos programados para executar diversas tarefasi. Historicamente os robôs são utilizados pela indústria para substituir seres humanos em tarefas danosas, repetitivas, inseguras e desagradáveis.

Os robôs são ensinados por um operador a realizar sua tarefa e então acionados, podem executar suas funções em horário quase integral e sem variação de tempo e precisão preocupantes. As m áquinas são fabricadas em diversos tamanhos e formas, como exemplificado na imagem ao lado.

Para fins de entendimento, manteremos o foco no objeto de estudo deste trabalho, O braço robô articulado.

Composto por cinco partes, que possuem nomenclaturas baseadas no braço humano: punho, braço, braço de ligação, coluna giratória e base que se movem em 6 eixos, os três principais ( A1, A2 e A3) e os três do punho (A4, A5 e A6). Esta combinação possibilita uma variedade de movimentos no espaço, oferecendo um envelope de movimento maior que as máquinas cartesianas tradicionais de três eixos, além de possibilitar diferentes aproximações do mesmo ponto.

i Definição segundo a Administração de Segurança e Saúde Ocupacional (OSHA) dos Estados Unidos

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Atualmente são conhecidas três maneiras de programar a máquina. São elas:

Nomenclatura das partes do robô.

Imagem retirada do manual de instruções

Ponto a ponto: O robô se movimenta de um ponto a outro da maneira mais rápida, levando em conta todos os seus eixos.

Controlado: A ponta do braço segue um caminho controlado por posição e orientação através de planos.

Contínuo: O caminho é gerado através de pontos próximos sucessivos, cerca de 60 coordenadas por segundo são armazenadas para cada eixo, possibilitando repetição precisa posteriormente.

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Envelope de trabalho do robô, mostra o alcance máximo da máquina.

Imagem retirada do manual de instruções

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Uma breve história do braço robótico O primeiro braço mecânico totalmente funcional, o unimate, foi construído e implantado em 1962 na fábrica da General Motors em Nova Jersey.

A máquina foi projetada por George Devol e operava transferindo peças recém moldadas para o corpo dos automóveis, tarefa antes executada por trabalhadores, mas que poderia ser extremamente danosa, uma vez que libera gases tóxicos e pode acarretar ferimentos nos funcionários. A invenção foi amplamente aceita na indústria automobilística estadunidense e a partir dela, surgiram várias empresas e pesquisas no setor.

A primeira empresa foi então criada, a Unanimation de George Devol e Joseph Engelberger, vendendo 8.500 cópias do unanimate. Em 1966 a KAWASAKI comprou a licençaa para fabricar robôs industriais. Um pesquisador de Stanford, Victor Scheimman, começou a trabalhar no primeiro braço articulado com seis eixos de liberdade, chamado Stanford Arm. A adição de eixos de liberdade significa mais liberdade de movimento e alcance, e possibilita a execução de tarefas mais complexas. No MIT, Marnvin Minsky desenvolveu um robô 26 | LABORATÓRIO 7

para exploração subaquática, desta vez com doze juntas de liberdade. No entanto a tecnologia de Scheimman foi patrocinada pela General Motors, e a Unanimation desenvolveu a partir desta o PUMA ( Máquina Universal Programável para Montagem).

Em 1973, a empresa KUKA (Keller und Knappich Augsburg) entrou para o cenário com o primeiro robô industrial com seis eixos eletromecânicos, os FAMULUS. A empresa então se destacou produzindo o primeiro controle aberto baseado em PC Além de futuramente produzir o robô com maior alcance e capacidade de carga (KR titan), e o robô mais preciso (LBR iiwa).

Unimate, o primeiro braco mecânico construído.

KR Titan

FAMULUS da Keller und Knappich Augsburg

LBB iiwa

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Algumas universidades de Arquitetura ao redor do globo são pioneiras em pesquisas de robótica aplicada à arquitetura. Algumas das mais conhecidas são Iaac em Barcelona, Architectural Association School of Architecture de Londres, Bartlet e o ETH de Zurich.

Arch_Tec_Lab na universidade Federal Suíça de Zurich

Robô da no programa de fabricação da AA School.

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Cooperação homem-robô e o robôconstrutor “Um sistem robótico pode ser classificado em dois grupos: aqueles que podem exercer um trabalho e coexistir com humaos em ambientes atípicos, e aqueles que fazem trabalhos repetitivos de acordo com uma programação padrão como parte de uma montagem ou soldagem nas industrias automobilística e eletrônica.”i i

“A robotic system can be classi-

fied into two groups: those that can carry out work and coexist with humans in atypical environments, and those that do repeated work according to a standard program such as part assembly or welding and coating in the automobile and electronic industries.” Lee Seun-

Segundo Seungyeol Leea e Jeon Il Moonb em seu artigo “Introduction of Human-Robot Cooperation Technology at Construction Sites”, um sistema robótico pode ser classificado de duas maneiras: aqueles que cooperam com seres humanos, como uma extensão do corpo; e aqueles que seguem uma programação padrão e executam uma tarefa repetitiva, como em uma linha de montagem. Entretanto, levando em conta trabalhos mais recentes, podemos acrescentar um terceiro tipo que utiliza machine learning e é capaz de tomar decisões que alteram o projeto durante a sua tarefa.

gyeol (2014)

A relação homem-máquina já foi explorada por diversos autores, incluindo Vitruvius em seu livro X. A definição adotada para este trabalho é a de Antoine Piccon (2008) em seu texto “A arquitetura e o Virtual: Rumo a uma nova Materialidade”, fazendo uma analogia do homem que trabalha em uma relação visceral com a tela de seu computador, tal qual um motorista se une a seu carro, tor30 | LABORATÓRIO 7

nando-se um sujeito composto, um híbrido de carne e ferro.A partir desta analogia, devemos então perceber as novas potencialidades desse novo sujeito.

Geralmente, as novas tecnologias digitais se iniciam tentando imitar ou remeter à equivalentes do mundo físico, ou imitando os movimentos humanos. Por exemplo, os primeiros displays digitais tentavam fazer imitações realistas dos objetos físicos.

Os botões virtuais possuíam sombras e realces para dar ilusão de volume; os livros digitais utilizavam efeitos visuais e sonoros nas trocas de páginas; os sites em flash, nos primórdios da internet aberta, usavam todos esses recursos. Foram necessários muitos anos de evolução para que as interfaces digitais se tornassem independentes e desenvolverem sua própria estética. Da mesma forma, os primeiros softwares de arquitetura eram utilizados apenas como transposições das ferramentas tradicionais de desenho. Os programas CAD eram utilizados apenas como uma ferramenta de desenho substituta do lápis e da caneta, quando lançados eram conhecidos como “pranchetas eletrônicas” - muitos arquitetos ainda interpretam CAD como apenas isto - levando pouco em conta o novo poder de computação e a mudança de

mídia.

Já na arquitetura contemporânea, a mídia digital deixou de ser apenas uma ferramenta representacional e se tornou parte do processo generativo na derivação da forma e sua transformação. Os designers não mais modelam diretamente uma forma, mas desenvolvem a lógica, que então é calculada pelo computador e produz a forma (Kolarevich, 2000).

Os computadores tem uma maneira própira de leitura e interpretação de dados. Portanto a lógica de trabalho deve ser apropriada, aproveitando o potêncial disponível. Não podemos reduzir o computador a uma prancheta, nem assumir que ele é capaz de subistituir o arquiteto. É neccessário entender o papel que assume no processo de design. Como afirma Turing (1950): “Nós não queremos penalizar a máquina por sua inabilidade de brilhar em um concurso de beleza, assim como não penalizamos um homem por perder para um avião em uma corrida.“ i Da mesma maneira, o intuito não é substituir o arquiteto ou o construtor, mas permitir que cada um exerça a sua função.

i

“We do not wish to penalise the ma-

chine for its inability to shine in beauty competitions, nor to penalise a man for losing in a race against an aeroplane” Fabricação Digital com Braço Robótico | 31

Evolution of Fabrication

Analogamente ao desenvolvimentos das mídias digitais, as primeiras máquinas surgem como substitutos de tarefas antes realizadas por operários. As routers tomam o lugar dos artesãos, os robôs substituem operários em linhas de montagem.

Os designers contemporâneos tentam utilizar as capacidades destas máquinas que superam as de um ser humano, estabelecendo uma nova estética, usando sua precisão e sua capacidade de transpor dados digitais para o mundo físico. Ora, uma máquina não precisa analisar diversos desenhos e interpretá-los para poder construir uma peça, ela apenas precisa das coordenadas numéricas para poder se posicionar e executar seus movimentos precisamente. É através desses códigos numéricos, chamados g-codes, que todas as máquinas de fabricação atuais operam.

Os g-codes funcionam tanto para impressoras 3D, routers quanto para braços robóticos. Desta maneira, os dados da construção, que eram antes os desenhos técnicos, são passados diretamente para o construtor -a máquina- em uma linguagem universal para computadores.

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For millennia, humans have manipulated material in six basic ways. We have designed and used an ever-evolving set of tools to accomplish this and to make things. As these methods and tools become digitized and, increasingly, applied via robotics, their accuracy and repeatability grow exponentially.

FORMING

CUTTING

CASTING

MOLDING

JOINING

ADDING

Forming uses mechanical pressure to shape an object into a new form, without adding or removing any material.

Removing material to form new shapes is also known as machining, milling, sawing, chiseling, and mitering.

Casting, a 6,000-year-old process, involves pouring liquid into a hollow form and allowing it to become a solid.

Molding is the process of shaping a pliable material within a rigid form, called a matrix, to produce a new form.

Joining is bringing together two or more forms of similar or different materials by welding, soldering, fastening, taping, riveting, or bolting.

Objects are built up by depositing successive layers of materials.

Mechanized forming includes rolling, extruding, eroding, and stretching.

CNC machines perform a computerized version of cutting.

Computerized casting utilizes precision injecting and grinding to remove imperfections.

Machine-molded parts have to be carefully designed to allow for flow and cooling patterns.

Robotics easily automate the process of fastening objects.

Additive manufacturing, usually known as 3D printing, is essentially a robot precisely depositing layers of a material.

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Imagem retirada do livro “The Future of Making”

Exemplo de G-Code utilizado como notação das coordenadas nas maquinas CNC.

G-codes são os códigos de comunicação do computador com as máquinas de fabricação digital, como Impressoras 3D e Routers.

São códigos com caracteres que indicam comandos e coordenadas de orientação e posicionamento.

“Robots are not coming for us.

Robots will be coming for us.

They will work with us to do what we don’t want to do or cannot do.”

Wujec, 2019

Os processos de fabricação digital evoluíram a partir dos mesmos princípios de manipulação de material que sempre utilizamos, como cortar, adicionar ou moldar. Entretanto, o uso das tecnologias digitais e robôs amplia a precisão e repetibilidade desses processos (Wujec, 2019).

Como o autor afirma, os robôs não vieram pra nos substituir, mas para fazer aquilo que não queremos. Eles nos permitem ampliar os limites daquilo que pretendemos fabricar, liberando espaço para que sejamos mais criativos(Wujec, 2019).

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Referências Os últimos anos têm sido de muita experimentação no campo da fabricação digital. Alguns trabalhos têm se destacado e demonstrado como os arquitetos estão respondendo aos novos questionamentos impostos peça era da informação. A seguir são apresentados alguns projetos de referência. Esses projetos foram selecionados para demonstrar a evolução da fabricação e das questões qe estão sendo respondidas na útima década. As qestões pertinentes serão descritas nas páginas destinadas a cada um deles.

Unidade R-O-B, Gramazio Kohler Research, ETH Zurich 2008

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R-O-B Unit Ano: 2007- 2008 Laboratório: ETH Zurich Pesquisador: Gramazio Kohler Estratégia Predominante: Tesselação Ferramenta: Pegador Na 11a Bienal de Veneza em 2007 foi apresentada na exposição Explorations no pavilhão Suíço um espaço construído pela unidade móvel de fabricação robótica R-O-B, com composições de tijolos de concreto.

A unidade é capaz de construir paredes com geometrias complicadas que precisam de muita precisão.

Como o robô é programado, ele não precisa verificar os desenhos a cada novo bloco, nem marcar suas posições com guias. Este processo permite que o trabalho seja executado rapidamente. Tal tarefa exigiria muito mais esforço mental de um ser humano, além de ampliar a chance de erro.

Robô em operação 36 | LABORATÓRIO 7

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Communication Landscapes Ano: 2017 Laboratório: HENN e DDU Pesquisadores: Martin Henn, Giovanni Betti, Saqib Aziz, Stefano Arrighi (HENN) Oliver Tessmann, Andrea Rossi (TU Darmstadt, Digital Design Unit) Estratégia Predominante: Contornamento Ferramenta: Cortador com níquel aquecido

Este trabalho foi apresentado na exposição Imminent Commons na primeira Bienal de Arquitetura e Urbanismo de Seoul em 2017. O trabalho abre uma discussão sobre indústria 4.0, fabricação digital e interfaces homem-máquina, oferecendo uma visão sobre um possível futuro da produção automatizada. Os autores buscam demonstrar que pequenas unidades de produção descentralizadas são viáveis e mais integradas no tecido urbano e social (Henn, 2018).

Paienel produzido na exposição

A instalação funciona com um computador acoplado de microfone e um robô. Os visitantes falam no microfone, o desenho das ondas sonoras é traduzido em uma forma tridimensional; a máquina efetua o corte do modelo em duas partes (positivo e negativo). O participante recebe uma das partes, enquanto a outra é colocada no mural da exposição.

Reconhecimento de voz 38 | LABORATÓRIO 7

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Mobile Robotic Fabrication System for Filament Structures Ano: 2015 Laboratório: Stuttgart University Pesquisadores: Maria Yablomita e Achim Menges Estratégia Predominante: Tesselação Ferramenta: Wall climber robot

Este trabalho apresenta um avanço na maneira de abordar a construção, não apenas utilizando uma máquina preexistente, mas fabricando a própria, para a tarefa requisitada. Os pesquisadores expandem o papel do arquiteto e do designer no processo de construção, não apenas desenhando o produto final, mas também as maneiras de realizá-lo. O wall climber robot foi construído para esta tarefa. Ele opera subindo pelas paredes, passando filamentos por pontos-âncora previamente colocados.

Os robôs são munidos de sensores para se posicionar e calcular a própria rota até o próximo ponto.

“The Thread Walker” passava pendurado em uma corda entre as duas paredes, passando o filamento de um escalador para o outro. As máquinas conseguiram realizar a instalação quase de maneira autônoma, com poucas interferências para correção.

A pesquisa resultou em várias demonstrações. A demonstração mais recente foi uma construção por três robôs em colaboração. Dois escaladores se posicionavam em paredes opostas, enquanto um terceiro robô

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Cyber Physical Macro Material Ano: 2017 Laboratório: Stuttgart University Pesquisadores: Miguel Aflalo, Jingcheng Chen, Behrooz Tahanzadeh Estratégia Predominante: Tesselação

Este trabalho apresenta uma investigação de Cyber-physical construction e arquitetura de comportamento programável. A estrutura montada em Stuttgart é uma cobertura feita por módulos que é capaz de se adaptar de acordo com alguns parâmetros. Um drone controlado por rede carrega os módulos da cobertura que são realocados de acordo com a programação. Neste caso o próprio construtor é parte da construção.

A estrutura possui três comportamentos diferentes: responsivo: o efeito (sombra) que ela produz é predefinido e a estrutura muda para mantê-lo; interativo: a estrutura se realoca para as áreas com maior concentração de usuários e;

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learning: a partir da coleta de dados das relações de usuários e meio, são calculadas as combinações mais efetivas.

Esta pesquisa traz uma perspectiva iteiramente nova sobre arquiteturas adaptáveis e sua viabilidade técnica, além do uso de novos conceitos na construção da arquitetura. A estrutura montada é capaz de sentir, pensar e reagir a estímulos externos, se modificando de acordo com a programação. Tal resultado só é capaz ao aderirmos a certos conceitos como Machine Learning, Big Data e Internet das Coisas, colocando mais uma vez um questionamento sobre o papel do arquiteto e de suas habilidades além de como as futuras arquiteturas irão responder aos problemas que surgem cada dia na era da informação.

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Os trabalhos aqui apresentados, além de serem importantes referências de pesquisa, são também ótimas demonstrações da evolução da Fabricação Digital nos últimos anos. Já é possível notar como os arquitetos têm respondido aos eventos citados anteriormente -a primeira e a segunda viradas digitais.

A última década tem sido de produção prática e experimentação. Podemos perceber esta evolução ao analisar alguns aspectos. O primeiro trabalho - ROB - apresenta um robô construtor, que substitui um operário, além de ser capaz de fabricar uma arquitetura de formas mais complexas, precisa e não-padronizada.

lador, que produziu suas instalações quase de maneira totalmente autônoma. E em 2017 Miguel Aflalo, Jingcheng Chen e Behrooz Tahanzadeh programaram uma arquitetura robô, que é capaz de sentir, pensar e se adaptar, sem interferência do arquiteto ou do usuário. Esses processos exigem uma constante discussão acerca dos métodos tradicionais de projeto que temos utilizado e como a nossa profissão vai interagir com estas novas demandas nos próximos anos.

Posteriormente, notamos a introdução de novas interfaces nesta fabricação, na exposição Communication Landscapes, levantando uma discussão sobre interação do usuário com a fabricação, personalização e núcleos de fabricação distribuídos.

A seguir, percebemos uma mudança no comportamento dos arquitetos, que passam a fabricar o construtor e não a arquitetura. Em 2015, Maria Yablomita produziu o seu robô esca-

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Relatos Práticos Hyper Threads A minha primeira aproximação com o braço mecânico foi no AA visiting school de 2017, realizado em parceria com a PUC-RIO e o Museu do Amanhã. A proposta era fabricar dois objetos: uma parede expositiva com formas geradas pelos alunos; e uma cadeira com design dos professores do curso (Vishu Bhooshan e Alicia Nahmad). As peças não puderam ser finalizadas na semana do workshop e nós passamos a trabalhar nesta produção durante o ano seguinte.

As peças foram projetadas de forma a se adequar a ferramenta que seria utilizada - uma cortadora de fio quente acoplada ao robô. Cortadoras a fio quente são ferramentas comuns nas escolas de arquitetura. Elas operam conduzindo uma corrente elétrica pelo fio de níquel que se aquece e ao passar pelo material e efetua o corte.

O garfo principal é composto por três perfis de alumínio. As extremidades possuem pontas de madeira que apoiam o fio de níquel, isolando a parte metálica e a base para acoplamento foi impressa em uma impressora 3D em plástico ABS. O garfo possui uma abertura de 505 mm e profundidade de 560 mm de corte.

Uma das limitações desta ferramenta de corte é que ela apenas é capaz de cortar superfícies desenvolvíveis.

Uma superfície desenvolvível é uma superfície que pode ser planificada em um plano sem distorções.

A cadeira foi dividida em oito partes menores para que os blocos de corte se adequassem ao envelope de trabalho do robô, limitando os blocos de corte a dimensões próximas a 500 milímetros.

Exemplo de superfície desenvolvível

A partir do desenho tradicional nós construímos nossa ferramenta com perfis metálicos para a estrutura.

Madeira Fio de Níquel

Perfil de Alumínio

Cortador manual

Ferramenta construída para o braco robótico

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Base de ABS impressa

Peça posicionada dentro do bloco

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Cadeira Hypar

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Cadeira Hypar explodida

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A programação do corte é feita em Grasshopper, utilizando o plugin Kuka prc. O processo de programação se dá nos seguintes passos: 1. Dividir a superfície a ser cortada em pontos;

2. Criar planos nos pontos gerados, estes planos irão orientar a ferramenta de corte;

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3. Executar o calculo do percurso. É importante nesse momento avaliar a simulação, buscando possíveis colisões e posições não alcançáveis. Em alguns casos é necessário reposicionar a peça até encontrar uma posição viável para executar todos os cortes;

4. O processo se repete para cada superfície de cada peça.

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Desenvolvimentos Futuros A produção desta peça ainda está em andamento. Entretanto, por meio desta experiência, é possível tomar algumas conclusões sobre o uso do braço robótico na fabricação digital e sobre a técnica de corte.

Como é relatado por Carpo (2016) e os outros autores aqui citados, cada peça cortada não alterou o trabalho da máquina. O processo é sempre o mesmo: posicionar o bloco de corte, executar os códigos e retirar a peça.

A parte que exige maior atenção e tempo de trabalho humano é a preparação de cada código de corte. O robô sempre vai traduzir o código em movimentos, sem se importar com o formato da peça.

A fabricação por robô se mostrou extremamente versátil, comparado às máquinas tradicionais e abre uma gama de novas possibilidades. Para esclarecer, irei citar e explicar algumas destas abaixo: Produzir a própria ferramenta: como a máquina possui ponta aberta, é possível criar ferramentas para diversos materiais e operações, como neste trabalho no qual operamos com corte de isopor;

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Flexibilidade de movimento: a quantidade de articulações permite que o robô se aproxime do material em diversos ângulos, diferente de uma CNC tradicional que se só se movimenta no plano cartesiano; Facilidade de programação: as plataformas de programação são amigáveis com designers e arquitetos, gerando facilidade na aproximação destes profissionais com o processo. Neste trabalho, todos os códigos foram executados pelo aluno e orientadora - estudante de arquitetura e arquiteta respectivamente.

O material ofereceubons resultados na velocidade de corte e forma final.

Ainda énecessário testar maneiras de acabamento. São comuns tratamentos em fibra e revestimento com madeira laminada flexível. Este aspecto será investigado futuramente Por meio desses experimentos pudemos testar as limitações do software, do material e da ferramenta. As investigações agora devem se aprofundar nas possíveis formas a serem produzidas e suas possibilidades de geração, além de aproveitamento de material e acabamento.

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Resultados dos testes de corte.

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