Carbon fibre facade panel prototyping through robotic winding; From design to fabrication, a study on algorithmic manufacturing process for carbon fibre using robotic fabrication tools

Carbon fibre impregnated with epoxy resin has been studied for a variety of applications in the field of architectural design and construction to investigate its possible substitution with the conventional construction materials like concrete and steel. That is besides the fact that it brings huge freedom in design of complex morphologies and forms. In most of the architectural uses, carbon fibres are wound using robotic fabrication and Coreless Filament Winding method, in order to mainly generate space frame structures. The aim of this study is to conduct an investigation into potential applications of this material and fabrication method for the modular façade prototypes introducing sculptural exterior effect. The main objective of the work is to explore an adaptable design strategy to the clients’ needs and further radiation and daylight analysis results, using parametric design tools, specifically Grasshopper engines. Both adopted design and technology methods contribute to a more sustainable architecture in terms of the material used, cost of design variation, manufacturing carbon footprint and the building energy balance through its envelope. The carbon fibre weave and further solidification enables significantly lightweight components which is quite challenging to be attained throughout the use of conventional material. For this purpose, the project begins with a preliminary study around the computational design and hand winding of a random modular pattern through which each panel carries a local pattern, projecting part of the global intended pattern all over the façade. A physical prototype gets manually wound after day-light-based verifications of this study to examine possible further required considerations for the expected robotic fabrication. Afterwards, The design and assembly of an appropriate end-effector which provides the winding task for the Robot-IRB4600-45-2.05, with which the fabrication is done, is the first step taken towards the robotic fabrication feasibility studies of this work. The accurate adjustment of the according tensioning, epoxy resin impregnation and winding pipe systems for the end-effector is followed by the design and manufacturing of a proper framework. Investigations of this project continues with exploring the translation of the intended winding pattern by the means of collision-free trajectory design to bridge the design into fabrication itself, in the next steps. At the end, a robotically wound carbon fibre panel which has been simultaneously impregnated with Epoxy resin is physically fabricated which can be used for further studies such as structural optimization or material-based tests.

La fibra di carbonio impregnata con resina epossidica è stata studiata data la varietà di applicazioni nel campo della progettazione architettonica e delle costruzioni per indagare la sua possibile sostituzione con i materiali da costruzione convenzionali come cemento e acciaio. Questo, oltre al fatto che, porta un'enorme libertà nella progettazione di morfologie e forme complesse. Nella maggior parte degli usi architettonici, le fibre di carbonio vengono avvolte utilizzando la fabbricazione robotica per generare telai spaziali. Lo scopo di questo studio è condurre un'indagine sulle potenziali applicazioni per i prototipi di facciata modulare che introducono un effetto scultoreo sull’esterno dell’edificio. L'obiettivo principale del lavoro è esplorare una strategia di progettazione adattabile alle esigenze dei clienti e integrare successivamente risultati dell'analisi della radiazione e della luce diurna, utilizzando strumenti di progettazione parametrica, in particolare i motori Grasshopper. Entrambi i metodi di progettazione e tecnologia adottati contribuiscono a un'architettura più sostenibile in termini di materiale utilizzato, costo della variazione di progettazione, impronta di carbonio di produzione e bilancio energetico dell'edificio attraverso il suo involucro. La trama in fibra di carbonio e l'ulteriore solidificazione consentono di ottenere componenti significativamente leggeri, il che è piuttosto impegnativo da ottenere utilizzando materiali convenzionali, riducendone notevolmente l'uso. A tal fine, il progetto inizia con uno studio preliminare sulla progettazione computazionale e l'avvolgimento manuale di un motivo modulare casuale attraverso il quale ogni pannello progettato integra un motivo che viene proiettato su tutta la facciata. Un prototipo fisico viene realizzato avvolgendo manualmente, dopo le verifiche basate sulla luce diurna di questo studio, per esaminare possibili ulteriori considerazioni richieste per la prevista fabbricazione robotica. La progettazione e l'assemblaggio di un effettore finale appropriato, che fornisce il compito di avvolgimento, per il Robot-IRB4600-45-2.05 con cui viene eseguita la fabbricazione, è il primo passo compiuto verso gli studi di fattibilità della fabbricazione robotica di questo studio. Dopo un'accurata regolazione dei relativi sistemi di tubi di tensionamento, impregnazione e avvolgimento dell'end-effector e la progettazione e produzione di una struttura adeguata, le indagini di questo progetto continuano con l'esplorazione della traslazione del modello di avvolgimento previsto per mezzo di una traiettoria priva di collisioni per collegare il design alla fabbricazione stessa. Alla fine, viene fabbricato fisicamente un pannello in fibra di carbonio avvolto roboticamente che è stato simultaneamente impregnato con resina epossidica che può essere utilizzato per ulteriori studi come l'ottimizzazione strutturale o test di materialità.