La Maestría en Estudios Avanzados ETH Zurich en Arquitectura y Architecture and Digital Fabrication (MAS ETH DFAB) es el programa educativo del grupo de investigación interdisciplinario líder en el mundo sobre fabricación digital y robótica en arquitectura, el National Centre for Competence in Research (NCCR) Digital Fabrication en ETH Zürich. Está organizado por la Chair for Digital Building Technologies y la Chair of Architecture and Digital Fabrication (Gramazio Kohler Research), dos grupos de investigación pioneros en la materia.
El programa de un año a tiempo completo enseña los temas más relevantes, desde el diseño computacional, las innovaciones de fabricación digital y de materiales, hasta la fabricación robótica y las tecnologías de impresión 3D. Los estudiantes se benefician de la excelencia y experiencia de los investigadores de ETH Zürich y NCCR, la colaboración con los socios de la industria así como del acceso completo al exclusivo Robotic Fabrication Laboratory, donde ocurre la mayor parte de la investigación pionera.
El MAS ETH DFAB se esfuerza por formar una nueva generación de arquitectos, ingenieros y diseñadores colaboradores con habilidades intelectuales, conocimiento tecnológico y disciplinario para definir el futuro de la arquitectura. Un futuro, que da respuesta a los retos ecológicos, sociales y tecnológicos y combina eficiencia con estética.
Los doce proyectos que aquí se presentan son las Tesis de Maestría del MAS ETH DFAB del año 2019-2020. Los estudiantes colaboraron con investigadores de la Chair for Digital Building Technologies y Gramazio Kohler Research en cuestiones específicas relacionadas con los procesos de fabricación robótica y las tecnologías de impresión 3D. Todas las tesis están integradas por proyectos de investigación en curso y cuentan con el apoyo de un grupo más amplio de expertos. Durante tres meses, los 12 grupos desarrollaron su propio plan de investigación, realizaron experimentos y finalmente presentaron su tesis a través de demostradores físicos, una presentación escrita y oral. Todos los temas muestran la capacidad de convertir conceptos en software y procesos de construcción digitales con el poder de transformar la forma en que construimos.
1) Mesh Mould Earth Construction
ETH Zürich, Chair of Architecture and Digital Fabrication, Gramazio Kohler Research, Prof. Fabio Gramazio and Prof. Matthias Kohler
Estudiantes: Jomana Baddad, Indra Santosa
Tutores: Mattis Koh, Nik Eftekhar Olivo, Marvin Rüppel, Coralie Ming, Ammar Mirjan, Thibault Demoulin (Prof. Flatt), Gnanli Landrou (Prof. Habert).
En colaboración con Oxara: www.oxara.ch
Patrocinadores: Abuma GmbH Moebelle
La tecnología Mesh Mold es una investigación digital en curso de concreto encofrado permanente desarrollado por la cátedra de arquitectura y fabricación digital en ETH Zurich. Mesh Mold sienta las bases de esta investigación para fabricar estructuras de tierra reforzadas de geometrías complejas utilizando celosías abiertas para ayudar a su curado. Las investigaciones correspondientes son un término medio entre las aplicaciones tradicionales de la conformación de armaduras naturales y los métodos de fabricación digital. La salida digital de un modelo geométrico complejo se traduce en un flujo de trabajo de fabricación de baja tecnología para adaptarse a la realidad socioeconómica de los materiales naturales utilizados. El aparato de fabricación hombre-máquina ofrece escenarios versátiles de automatización y participación laboral. El aparato desarrollado se centra en dar acceso a geometrías de refuerzo complejas doblemente curvas a través de una interfaz de fabricación asequible y fácil de usar. La investigación se centra en el material de refuerzo natural e investiga métodos adecuados de plegado y ensamblaje. Paralelamente, se desarrolla un modelo computacional que integra las características del material y los métodos de conformación. Con el tiempo, la configuración computacional proporcionará una interfaz sencilla para que el ser humano fabrique redes de refuerzo para materiales de tierra. El proceso de mezcla y llenado del material de tierra es realizado por los colaboradores de investigación Oxara.
2) Adaptive Clay Formations - Robotic In-Situ Clay Construction
ETH Zürich, Chair of Architecture and Digital Fabrication, Gramazio Kohler Research, Prof. Fabio Gramazio and Prof. Matthias Kohler
Estudiantes: Anton Tetov Johansson, Edurne Morales Zúñiga
Tutores: David Jenny, Coralie Ming, Nicolas Feihl, Gonzalo Casas
Socio industrial: Lehmag AG and Brauchli Ziegelei AG
“Rapid Clay Formations” ha sido una investigación que ha evolucionado a lo largo de varios años dentro del programa MAS DFAB de ETH Zurich. Ha sido estudiada en diferentes escalas y con diferentes objetivos, todos basándose en la adición de elementos de arcilla húmeda con el uso de brazos robóticos. Nuestra tesis “Adaptive Clay Formations”, presenta la investigación de este proceso a escala arquitectónica. Demuestra el desarrollo de un proceso de fabricación adecuado para la construcción de estructuras altas y esbeltas. Este ha sido evaluado a través de una serie de prototipos y la preparación para un taller de construcción incluido dentro del programa. Esta investigación ha incluido el estudio del comportamiento y la optimización de la mezcla para el material utilizado, evaluación y adaptación geométricas por medio de sensores, planeación de trayectoria robótica, localización robótica móvil y estudios de diseño para estructuras monolíticas de gran escala fabricadas con la deposición rápida in situ.
3) Pushing the boundaries of integral joints in robotically assembled timber structures
ETH Zürich, Chair of Architecture and Digital Fabrication, Gramazio Kohler Research, Prof. Fabio Gramazio and Prof. Matthias Kohler
Estudiante: Frédéric Brisson
Tutores: Victor Leung, Davide Tanadini (Prof. Schwartz)
La madera tiene una rica historia en la construcción de edificios. Durante siglos, los carpinteros han ensamblado estructuras de madera a mano y, si bien la tecnología ha mejorado la eficiencia de la producción, la industria de la construcción con madera ha tardado en aprovechar el potencial de un proceso de ensamblaje robótico completamente automatizado para estructuras construidas en fábrica.
Gramazio Kohler Research en ETH Zurich ha estado desarrollando un proceso robótico con una herramienta de sujeción para colocar madera lineal en una configuración de junta de solape integral en un poste posicionado verticalmente. Si bien los investigadores han sido capaces de hacerlo en una configuración de 90 grados, esta tesis busca demostrar el potencial de un sistema de sujeción angular que podría unir madera lineal dentro de un rango de ángulos en el mismo plano, abriendo oportunidades para geometrías más complejas en montaje robótico. Desarrollada en colaboración con Victor Leung de Gramazio Kohler Research y Davide Tanadini de la Cátedra de Diseño Estructural, esta tesis presenta reglas paramétricas que guían el ensamblaje, diseño y estabilidad estructural de una estructura de madera. Propone un conjunto de oportunidades de diseño iterativo y ha probado esas oportunidades a través de una estructura de madera a escala de 1:1 para confirmar los supuestos y descubrir elementos que deben investigarse más a fondo.
4) Material-informed formwork geometry
ETH Zürich, Chair of Architecture and Digital Fabrication, Gramazio Kohler Research, Prof. Fabio Gramazio and Prof. Matthias Kohler
Estudiante: Yu-Hung Chiu, Chanon Techathuvanun
Tutores: Joris Burger, Ena Lloret-Fritschi, Tim Wangler (Prof. Flatt)
El modelado por deposición fundida (FDM) de encofrado para hormigón tiene el potencial de realizar componentes de construcción con geometría estructuralmente optimizada, lo que puede reducir la cantidad de hormigón utilizado y mejorar la sostenibilidad de la construcción. Varias investigaciones anteriores muestran la viabilidad de construir con esta novedosa técnica. Sin embargo, se deben abordar nuevos desafíos (en comparación con un proceso de construcción de hormigón tradicional): las roturas ocurren con frecuencia en los encofrados durante la fundición debido a la presión hidrostática. Existe mucho conocimiento sobre el desempeño de los encofrados convencionales (con acero y madera) para el hormigón tradicional; sin embargo, existe una brecha de conocimiento en la comprensión de los encofrados impresos en 3D que pueden tener una forma no estándar. Esta tesis investigará diferentes geometrías y patrones de encofrados para ampliar el conocimiento sobre el comportamiento de rotura de los encofrados cuando se someten a presión hidrostática. Mientras tanto, el objetivo es mejorar la estabilidad del encofrado y explorar la estética de la superficie del encofrado aplicando geometrías y patrones paramétricos. Los datos empíricos de los hallazgos se utilizarán en el proyecto Eggshell para determinar la tasa de llenado de hormigón sin crear roturas.
5) Exploring Material Self-Formation: Crafting Surfaces through Feedback Based Robotic Plaster Spraying
ETH Zürich, Chair of Architecture and Digital Fabrication, Gramazio Kohler Research, Prof. Fabio Gramazio and Prof. Matthias Kohler
Estudiantes: Tsai Ping-Hsun, Eliott Sounigo
Tutores: Selen Ercan, Dr. Ena Lloret-Fritschi
Esta investigación presenta un método novedoso para la pulverización de yeso basada en retroalimentación utilizando una pistola pulverizadora controlada por un brazo robótico 6DoF. A través de este proceso propuesto, se rocían múltiples capas de un material cementoso a diferentes velocidades y distancias sobre una superficie creando formaciones volumétricas sin el uso de ningún encofrado o soporte. Para controlar la acumulación de dicho material maleable, se integra una cámara de profundidad en el proceso de fabricación que alimenta un sistema de control, que a su vez ajusta la distancia del efecto final a la superficie. El objetivo de esta investigación es explorar cómo se puede utilizar esta nave robótica para diseñar y crear acabados de superficie como una nueva forma de artesanía ornamental.
6) Illuminating Links: A design research for steel-gel casting
ETH Zürich, Chair for Digital Building Technologies, Prof. Benjamin Dillenburger
Estudiante: László Mangliár
Tutor: Marirena Kladeftira
La computación ofrece nuevas posibilidades de diseño para componentes de construcción, sin embargo, los métodos existentes de fabricación aditiva de acero tienen limitaciones importantes. La motivación es superarlos examinando un nuevo método de fabricación de fundición de gel de acero en encofrados FDM. La tesis desarrolla un lenguaje de diseño para el proceso investigado y demuestra su potencial en un estudio de diseño de un componente de acero prototípico, incorporando las funciones de conexión estructural, iluminación integrada y ornamentación. Se estableció y descubrió toda la cadena de fabricación, la definición de la forma seguida por la fabricación digital del molde; el encofrado de impresión 3d y acero gel-casting. El resultado de la tesis es un componente de acero prototípico, que es una combinación de un elemento funcional y un objeto escultórico, inspirado y conformado por el método de fabricación.
7) Non-Planar Seams for Branching Structures
ETH Zürich, Chair for Digital Building Technologies, Benjamin Dillenburger
Estudiante: Mahiro Goto
Tutor: Ioanna Mitropoulo
La impresión en capas no planas nos permite controlar las configuraciones de capas para que podamos imprimir formas que no podemos realizar con la impresión tradicional de capas planas, como estructuras ramificadas o formas sobresalientes sin ninguna estructura de soporte. Un obstáculo importante para el uso de rutas de impresión no planas es la complejidad de su diseño, que exige nuevas técnicas y metodologías que faciliten esta tarea. En muchos casos, como la impresión de una gran estructura, necesitamos segmentar el objeto en piezas más pequeñas para que quepan dentro del área de impresión. En esta investigación, proponemos la estrategia de segmentación utilizando límites no planos que pueden crear una variedad de configuraciones de capas en un objeto mediante el cálculo de la distancia a lo largo de la superficie del objeto. A través de muchos prototipos que utilizan la impresión robótica FDM, exploramos los aspectos funcionales y estéticos de las capas, así como como la orientación de las rutas de impresión se puede utilizar en forma ventajosa para la tarea de segmentación.
8) Porous Assemblies - Robotic 3D printing of mineral foam for novel lightweight architectures (ENG)
ETH Zürich, Chair for Digital Building Technologies, Benjamin Dillenburger
Estudiante: Dinorah Martinez Schulte
Tutor: Patrick Bedarf
Colaborador: Ayça Senol (ETH Zurich), Dr. Michele Zanini (FenX AG), Dr. Etienne Jeoffroy (FenX AG)
Los elementos de construcción, utilizados en la arquitectura de bajo costo, pueden diseñarse y producirse mediante la investigación de materiales y fabricación digital de alta tecnología. Este proyecto de tesis de maestría presenta una contribución a este objetivo a través del diseño y fabricación de ensamblajes arquitectónicos livianos desarrollados durante 12 semanas como parte de un esfuerzo de investigación más grande que investiga C3DP (Construction 3D Printing, por sus siglas en inglés) con espumas minerales derivadas de abundantes desechos industriales, no inflamables y totalmente reciclables. A partir del desarrollo inicial del material de impresión, se exploraron sistemáticamente varios diseños de espuma mineral impresa en 3D a través de un extenso ejercicio de prototipado.
El método de fabricación es la extrusión-impresión 3D robótica, y los elementos impresos se sinterizaron en un horno para lograr su máxima resistencia mecánica. Como demostrador final, se fabricó un panel de fachada ultraligero, con elementos de espuma mineral y se fundió sobre hormigón de Fibra UHPFRC de Ultra Alto Desempeño que, por su geometría, permite la iluminación y ventilación natural, destacando los beneficios de utilizar este material para crear elementos arquitectónicos ligeros, innovadores, sostenibles y de bajo impacto en el medio ambiente. El objetivo principal de la investigación es explorar los desafíos de diseño para la impresión 3D con espumas minerales, promover la conciencia sobre el futuro entorno construido y brindar una perspectiva concluyente que discuta las futuras vías de investigación.
9) Filigree Concrete: The Architecture of Fibres
ETH Zürich, Chair for Digital Building Technologies, Benjamin Dillenburger
Estudiante: Maria Pia Assaf, Ioulios Georgiou
Tutor: Andrei Jipa, Angela Yoo, Georgia Chousou
Socio Industrial: Bekaert AG
El concreto reforzado con fibra de ultra alto rendimiento es un concreto que contiene material fibroso que aumenta su rendimiento estructural. La contribución óptima de las fibras –en términos de resistencia estructural– es cuando están orientadas a lo largo de la dirección de las tensiones de tracción y pueden salvar grietas en la estructura general. Investigaciones anteriores han demostrado que el flujo de la colada de hormigón influye en la orientación y distribución de las fibras en formas arquitectónicas simples. Esta investigación se centra en la influencia de la geometría compleja del encofrado en la orientación y distribución de las fibras durante el proceso de fundición.
Con una mayor comprensión del comportamiento de las fibras en estas formas y un enfoque más informado en su implementación, los límites de los componentes arquitectónicos de concreto de filigrana se exploraron y avanzaron más. La tesis investiga las posibilidades de diseño de esta tecnología a través de experimentos centrados en geometrías de ramificación tubular como encofrados impresos en 3D y en combinación con diferentes estrategias de fundición y su efecto en la alineación de las fibras. Los resultados se observaron y analizaron mediante secciones físicas. El diseño y la fabricación de componentes arquitectónicos de concreto delgados llevó a la exploración de un nuevo lenguaje de diseño y alcanzó formas de concreto de 11 mm de diámetro. Esta investigación concluyó con el diseño y fabricación de una red de filigrana, inspirada en el rosetón gótico.
10) Carbon Fiber Exoskeleton - 3D printing of carbon fiber-reinforcement with formworks for freeform thin concrete components
ETH Zürich, Chair for Digital Building Technologies, Benjamin Dillenburger
Estudiante: Fatemeh Salehi Amiri
Tutor: Hyunchul Kwon
Esta tesis explora el refuerzo de fibra de carbono en encofrados de forma libre impresos en 3D para la materialización de componentes delgados de concreto. Los componentes de forma libre juegan un papel importante en la arquitectura contemporánea. La reciente innovación en impresión 3D permite la materialización eficiente de aquellos que permiten crear encofrados de concreto geométricamente complejos. Sin embargo, la estrategia de refuerzo de tensión de forma libre permanece sin explorar, particularmente para la estructura delgada.
Por un lado, a pesar de que la aplicación del refuerzo sobre la superficie del concreto, donde se producen la mayoría de las tensiones de tracción, aumenta el rendimiento estructural, la corrosión del refuerzo de acero tradicional limita el potencial del refuerzo exoesquelético. Por otro lado, la fibra de carbono tiene propiedades no corrosivas, así como una alta relación peso-resistencia y formabilidad. En este contexto, esta investigación propone un método novedoso de proceso de adición de fibra de carbono con encofrado impreso en 3D que permite lograr un refuerzo exoesquelético sin precedentes. Además, la tesis desarrolla un método computacional basado en una estrategia de optimización estructural que permite aplicar la reducción de los materiales solo donde son necesarios. Esta investigación incluye una serie de experimentos con el diseño y fabricación de un demostrador funcional prototípico. La tesis prueba el concepto de un método sin precedentes de refuerzo de hormigón que promete formas de concreto complejas con el uso eficiente del material en el proceso de fabricación automatizado.
11) Adaptive Resolution for Volumetric Modelling
ETH Zürich, Chair for Digital Building Technologies, Benjamin Dillenburger
Estudiante: Rémy Clémente
Tutor: Prof. Benjamin Dillenburger, Mathias Bernhard
Esta investigación explora formas de dominar múltiples niveles de resolución. Dado que la arquitectura combina varias escalas y métodos de construcción, ¿es una resolución adaptativa una forma de abordar la naturaleza compleja de tales formaciones? Usando el modelado volumétrico (VM), se propone un flujo de trabajo computacional (usando Python en Rhino / Grasshopper) para dominar y controlar la resolución de un modelo 3D. Ya sea que esto suceda en el árbol de geometría sólida constructiva (CSG) o durante la discretización del objeto de función de distancia firmada (SDF), el objetivo es definir niveles locales de detalle mientras se utilizan instrumentos dinámicos. Dos estudios de caso presentarán aplicaciones dentro del dominio de la fabricación digital. Una impresora 3D de modelado de deposición fundida (FDM) que combina diferentes espesores de filamento dará una idea de cómo una resolución adaptativa podría resolver los desafíos de coincidencia. A partir de entonces, un ejemplo de ladrillo de varios tamaños presentará una forma de fusionar celdas para generar automáticamente un enlace. Esta publicación debe verse como parte de la exploración actual de VM realizada en la cátedra de Digital Building Technologies en ETH Zurich.
12) PerSkin Add-On 3D-Printing on Fabric
ETH Zürich, Chair for Digital Building Technologies, Benjamin Dillenburger
Estudiante: Emmanuelle Sallin
Tutor: Matthias Leschok
La tela es un material blando que se usa comúnmente en la construcción por su capacidad para tensarse. Desde el siglo XVIII hasta la actualidad se ha utilizado en el campo de la construcción industrializada en combinación con cables de acero u otros materiales rígidos. El textil se usa a menudo para formar carpas, estadios o pabellones. La fabricación aditiva (AM) ya ha demostrado su potencial en arquitectura. Se ha utilizado especialmente la extrusión de polímeros, no solo para crear encofrados para hormigón, sino también componentes de fachadas. Sin embargo, en arquitectura, este proceso de AM está luchando con tasas de acumulación largas. Hay primeros intentos de combinar la extrusión de polímeros con un material de sustrato (Add-on 3DP) para obtener tasas de acumulación más rápidas, especialmente necesarias para la escala de la arquitectura. Sin embargo, el uso de material de sustrato como la tela aún no se ha explorado completamente. Esta investigación tiene como objetivo combinar un material rígido, el material de impresión 3D, con un material suave, la tela, para crear elementos espaciales de tamaño arquitectónico. Proporciona datos experimentales sobre el comportamiento del nuevo material compuesto, así como un enfoque de diseño diferente para crear elementos arquitectónicos espaciales.
Para más información sobre el programa y los procedimientos de solicitud visita www.masdfab.com
