Performance-based design of bespoke non-uniformly knitted textiles for architectural projects

Textile is an essential material in architectural technology used for interior and exterior applications. Besides the lightweight and high elastic characteristics, textiles improve the acoustics of a space distribute light and air to create more comfortable environments. However, in most cases, it is used as uniform pieces of flat-sheet materials that are cut, sewed, and welded, thus creating waste and connections as weak points and not using the material’s full potential. Knitting, instead, permits bespoke non-uniform textiles with specific shapes to be produced fast and waste-free. Moreover, knitted textiles are customizable on yarn and stitch levels (Anishchenko, 2020). There is ongoing research of knitting in architecture that concerns automatic production of three-dimensional textiles, use of textiles for concrete or clay formworks, bending-active systems, Integration of conductive yarns, and creation of soft interactive environments. However, there are still many gaps in the field. One of the main advantages of knitting is integrating various textile structures into a single piece of textile in one operation. This seamless production could significantly benefit the creation of non-uniform textiles, for example, shading devices integrated into fabric facades. However, there is no actual methodology to design and program such textiles and preview and simulate the result before the actual production. The current state of the Art regarding the simulations of knitted textiles can be divided into two categories: simulation on mesh level permits to see the overall elastic behavior of fabrics, but without consideration of its structure. Simulation on yarn level typically used in animation provides a realistic yarn-level view but has no connection to actual production. Moreover, it is very time-consuming and cannot be scaled up to an architectural scale. Thus, the research question is: how can we design non-uniform textiles based on their performance and simulate knitted textiles with various textures quickly, keeping a link with further production on CNC knitting machines? An optimal workflow would be to combine various scales of fabric modeling, starting from analyzing necessities on the macro mesh level and translating them to the micro yarn level. The software of a CNC-knitting machine reminds an interface of a raster graphical software, where each “pixel” contains information about the actions that a needle pair should do in a row. It also supports importing external bitmap files, directly linking various graphical and simulation programs. This possibility is used already by several researchers. Nevertheless, the gap in the field is in how to understand which needle actions should be assigned and how to preview if the selected pattern works the best? The current research addresses this question from two sides: through production and testing of physical prototypes and digitalization and modeling of yarn-level structure. The research proposes a methodology and tools to model textiles on yarn-level from a bitmap as a universal way to contain information about the required fabric structure. Based on a deep analysis of the principles of work of an advanced knitting machine, it technically repeats the operations of a knitting machine digitally, visualizing the textile structure and producing geometry for further physical analysis within architectural software. This dissertation contains a complete State of the Art of using advanced knitted textiles in Architecture and design with an overview of further potential applications. It covers the thresholds on the way to the production of bespoke performative textiles and possible solutions to overcome them.

Tessuto è un materiale essenziale nella tecnologia di architettura utilizzato per applicazioni interne ed esterne. Oltre ad essere un materiale leggero ed altamente elastico, i tessuti migliorano l'acustica di spazi, distribuiscono luce e aria per creare ambienti più confortevoli. Nella maggior parte dei casi, tessuto viene utilizzato come pezzi uniformi tagliati, cuciti e saldati, creando così sprechi e connessioni come punti deboli e non sfruttando appieno il potenziale del materiale. Il lavoro a maglia, invece, consente la produzione di tessuti su misura non uniformi con forme specifiche in modo rapido e senza sprechi. Inoltre, i tessuti a maglia sono personalizzabili a livello di filato e punto (Anishchenko, 2020). Ci sono ricerche in corso sull'applicazione di maglia in architettura che riguardano la produzione automatica di tessuti tridimensionali, l'uso di tessuti per casseforme di calcestruzzo o argilla, sistemi attivi di piegatura, integrazione di fili conduttivi e creazione di ambienti interattivi morbidi. Tuttavia, ci sono ancora molte lacune nel campo. Uno dei principali vantaggi della produzione dei tessuti a maglia è la possibilità di integrare diverse strutture tessili in un unico pezzo di tessuto in un'unica operazione. Questa produzione senza interruzione di continuità potrebbe beneficiare significativamente dalla creazione di tessuti non uniformi, ad esempio, dispositivi di ombreggiatura integrati nelle facciate di tessuto. Tuttavia, non esiste attualmente una metodologia reale per progettare e programmare tali tessuti e anticipare e simulare il risultato prima della produzione effettiva. Lo stato attuale dell'arte riguardo alle simulazioni di tessuti a maglia può essere diviso in due categorie: la simulazione a livello di maglia consente di vedere il comportamento elastico complessivo dei tessuti, ma senza considerare la sua struttura. La simulazione a livello di filato, tipicamente utilizzata nell'animazione, fornisce una visione realistica a livello di filato ma non ha alcuna connessione con la produzione effettiva. Inoltre, è molto dispendioso in termini di tempo e non può essere scalato a livello architettonico. Pertanto, la domanda di ricerca è: come possiamo progettare tessuti non uniformi in base alle loro prestazioni e simulare tessuti a maglia con varie texture rapidamente, mantenendo un collegamento con la successiva produzione su macchine da maglia CNC? Un flusso di lavoro ottimale sarebbe quello di combinare varie scale di modellazione del tessuto, partendo dall'analisi delle necessità a livello macro della maglia e traducendole al livello micro del filato. Il software di una macchina da maglia CNC assomiglia un'interfaccia di un software grafico a raster, dove ogni "pixel" contiene informazioni sulle azioni che una coppia di aghi della machina industriale di maglieria dovrebbe fare in una riga. Supporta anche l'importazione di file bitmap esterni, collegando direttamente vari programmi grafici e di simulazione. Questa possibilità è già utilizzata da diversi ricercatori. Tuttavia, la lacuna nel campo sta nel capire quali azioni degli aghi dovrebbero essere assegnate e come anticipare se il modello selezionato funziona al meglio. La ricerca attuale affronta questa domanda da due parti: attraverso la produzione e il test di prototipi fisici e la digitalizzazione e la modellazione della struttura a livello di filato. La ricerca propone una metodologia e strumenti per modellare tessuti a livello di filato da un bitmap come modo universale di contenere informazioni sulla struttura del tessuto richiesta. Basandosi su un'analisi approfondita dei principi di funzionamento di una macchina da maglia avanzata, ripete tecnicamente le operazioni di una macchina da maglia digitalmente, visualizzando la struttura del tessuto e producendo geometria per ulteriori analisi fisiche all'interno del software architettonico. Questa tesi contiene uno stato dell'arte completo sull'uso di tessuti a maglia avanzati in architettura e design con una panoramica delle potenziali applicazioni future. Copre le soglie sulla strada per la produzione di tessuti performanti su misura e le possibili soluzioni per superarle.