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Please use this identifier to cite or link to this thesis: http://hdl.handle.net/10589/116372

Author: MIRANTE, LORENZO
Supervisor: PAOLETTI, INGRID
Scientific Disciplinary Sector: ICAR/12 TECNOLOGIA DELL'ARCHITETTURA
Date: 18-Dec-2015
Academic year: 2014/2015
Title: Auxetic structures : towards bending-active architectural applications
Italian abstract: Con questo lavoro si vuole suggerire una direzione verso la diffusione di sistemi architettonici stampati on-site attraverso l’utilizzo e l’applicazione di una particolare classe di strutture che possiedono una capacità intrinseca di espandersi quando tirate e ritirarsi quando compresse e di riprodurre un curvatura anticonvenzionale quando sottoposte a flessione. Questa classe di materiali e strutture è stata scoperta nel tardo 1800 ma solamente nel 1991 uno scienziato che risponde al nome di Ken Evans riuscì ad assegnarli un nome proprio ricavato dalla parola greca auxetikos “che tende ad espandersi”, definendo al classe come degli Auxetici. Questo lavoro nasce dal desiderio di progettare un elemento architettonico seguendo un processo bottom-up dove la proposta di design è direttamente data dalla tecnologia scelta, che ne condiziona unicamente la forma. Il lavoro si divide in due parti: in una prima i modelli e materiali auxetici sono classificati, analizzati da un punto di vista meccanico e le più interessanti applicazioni che ne sono fatte al giorno d’oggi sono spiegate. Questa parte è definita “research”. E’ stato scoperto che la caratteristica principale per cui questi materiali sono conosciuti non è solamente che una delle varie qualità possedute da essi. Il loro coefficiente di Poisson negativo, che sta ad indicare il loro anticonvenzionale diminuire di volume quando compressi, comporta tutta una serie di caratteristiche fisiche che li rende idonei a molte sperimentazioni. Queste caratteristiche sono cinque e comprendono una generale resistenza alla compressione e una alta rigidità, la capacità di far fluire materiale verso l’area di impatto quando soggette a compressione, la capacità di assorbire alte quantità di energia e di dissiparla, la capacità di formare delle superfici a curvatura sinclastica quando flesse e la capacità di variare la loro porosità quando stirate/compresse. Nella prima parte del lavoro sono stati elencati gli usi dei materiali auxetici all’interno di quelel classi del sapere umano dove queste qualità trovano più facilmente applicazione: nel settore ingegneristico e biomedico, nello sport, nel settore aerospaziale e automobilistico, nell’industria tessile e in quale sporadico caso di design del prodotto. La diffusione di questi materiali, per quando incalzante, fatica a diffondersi in quanto ha bisogno di essere supportata da una consistente attività di ricerca atta a definirne in maniera più conveniente gli usi e da una ricerca di processi di industrializzazione dettagliati che possano abbattere i costi e le difficoltà tecniche derivante dalle forme indentate che queste strutture assumono. Nella seconda parte invece, una struttura auxetica tra tutte le conosciute , chiamata “ad esagoni rientranti”, è scelta per la sua capacità di definire una curvatura sinclastica quando flessa. Successivamente una tecnologia costruttiva applicabile sia alla costruzione di padiglioni leggeri che elementi di facciata (e altro) è proposta. Per arrivare alla definizione di questa tecnologia è stato necessario passare attraverso più fasi. Inizialmente sono stati stampati dei pattern di strutture auxetiche con una stampante tridimensionale Kloner K320. Questo ci ha permesso di testare praticamente il loro comportamento e di scegliere quindi il più interessante. Una volta scelto tra questi il pattern “ad esagoni rientranti”, è stato modellato in maniera parametrica attraverso l’utilizzo de software Grasshopper e gli sono state applicate delle forze per far avvenire la flessione tramite l’utilizzo del motore di calcolo Kangaroo Physics. Numerosi test successivi ci hanno portato a capire come funziona questa struttura durante la flessione e quindi a suggerire delle strategie di design e un processo produttivo. Infine delle “visions” di applicazione sono state suggerite . La possibilità di utilizzare stampanti tridimensionali e di sperimentare con materiali polimerici è diventata una risorsa essenziale nel lavoro di ricerca e un elemento di produzione vantaggioso anche per la proposta progettuale. Le stampanti 3D (nome molto generico che definisce in verità una vastissima scelta di prodotti) stanno effettivamente cambiando la concezione di produzione, rendendo possibile un più alto livello di liberà e variazione nella produzione di oggetti di diversa scala. La possibilità di creare un oggetto direttamente dal suo modello tridimensionale fa si che un altissimo livello di personalizzazione possa essere raggiungo anche nei processi produttivi di massa in quanto la forma di ogni oggetto può essere variata senza apportare un aumento dei tempi produttivi o del costo di produzione. La possibilità di creare elementi mass-customized può essere finalmente raggiunta.
English abstract: This work suggests a possible direction towards the diffusion of on-site printed architectural systems with the use of a special category of structures that have an intrinsic capacity to be expanded and compressed due to their structure and perform specific curvatures when bent. This class of materials was discovered in late 1800 but only in 1991 they were named Auxetics by the scientist Ken Evans. This work started by the will to design an architectural element with a bottom-up approach: the architectural proposals that will be given in the end are made possible only thanks to the definition of a technology which uniquely defines their shapes. In the first part Auxetics are classified, analyzed from a mechanical point of view, and interesting nowadays applications are listed to clarify a possible architectural implementation. In the second part a specific structure of auxetics - named hexagonal reentrant honeycomb - is chosen because of its capacity to perform a synclastic curvature when bent - therefore, a technology applicable both to the construction of lightweight pavilions and façade elements is proposed. The possibility to use three dimensional printers and experiment with polymeric materials became an essential resource in the research part and a valid production tools for the project proposal. Three dimensional printers completely changed the conception of mass production giving a higher level of freedom in the production of any-scale objects. The possibility to print from a file means that a high level of customization can be reached even if operating in massive production processes. Each printing session can be varied in parametric way so that each created object can be differentiated from the previous without the need of changing molds or using specifically designed tools. The possibility to create mass-customized elements can be finally achieved.
Italian keywords: auxetic; struttura; tecnologia; strutture leggere; strutture bending-active
English keywords: bending active; auxetic; structure; technology; lightweight
Language: eng
Appears in Collections:POLITesi >Tesi Specialistiche/Magistrali

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