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可在ScienceDirect上获得目录列表计算设计与工程杂志首页:www.elsevier.com/locate/jcde计算设计与工程学报6(2019)398机器人找形:使用热成型模具Yutong Chen,Jing Lin Koh,Xia Tian,Yi Qian Goh,StylianosDritsas新加坡科技与设计大学,地址:8 Somapah Road,Singapore 487372阿提奇莱因福奥文章历史记录:2018年4月3日收到2018年9月26日收到修订版2018年10月12日接受在线提供2018年保留字:找形数字化制造参数化设计A B S T R A C T我们提出了一个过程,重新访问数字媒体中的形式发现,即参数化设计和机器人制造。它的灵感来自于经典的建筑和工程实验,通过对材料和自然力的物理模拟来产生最小表面和拉伸结构制造基于热成型,其中无定形PET的薄片被热处理,并且在可延展状态下,其中材料表现得像可拉伸膜,工业机器人压印形状,并且片材被快速冷却以呈现其最终形式。该方法的关键方面包括:(a)速度:因为每个片材在几秒钟内形成;(b)灵活性,因为在没有制造独特模具的情况下生产各种形状;以及(c)弹性,因为与传统的形状寻找过程不同,这里生产的物体是坚固的,它们可以直接使用或在随后的制造过程中使用。生产的板材在这里用作玻璃钢混凝土铸造模具,提供优异的表面质量和创造几何形状的能力,与任何传统的制造技术不同。我们介绍了该工艺的设计和开发以及制作的概念验证艺术品。©2018计算设计与工程学会Elsevier的出版服务这是一个开放在CC BY-NC-ND许可证(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)下访问文章1. 介绍找形融合几何与材料特性,通过设计实验,历史上使用缩放的物理模型进行。这种设计传统的典型例子可以在Frei Otto(Otto,HelmckeBurkhardt,1978; Otto Rasch,1996; Burkhardt,2016)和AntoniGaudi(Burry,2016)的作品中找到。这些实验的设置通常预先确定物理实体及其载荷和边界条件的拓扑关联。材料和组件,如薄膜,绳子和链条,受到精心设计的框架的约束,再加上重力或表面张力等力,成为集成的建模和仿真原语,产生显着的物理工件,用作更大规模的建筑和工程系统的表示。使用物理模型(如肥皂膜、悬挂链和拉伸织物)进行找形的局限性包括:建立实验的准备工作耗时;由于环境因素的可变性,结果通常难以重现;它们具有整合由计算设计与工程学会负责进行同行评审。*通讯作者。电子邮件地址:dritsas@sutd.edu.sg(新加坡)Dritsas)。在当代计算机辅助设计过程中,它们对损坏或直接用于后续操作(如制造)很敏感。2. 计算找形建筑设计计算媒体的出现(Kolarevic,2003)提供了使用计算机辅助设计和模拟方法重新审视找形的机会(Adriaenssens,Block,Veenendaal,Williams,2014)。它们使设置和执行实验的快速循环更 容 易 集 成 到 更 广 泛 的 设 计 过 程 中 。 常 用 的 方 法 包 括 粒 子 弹 簧(Kilian,2004;Kilian Ochsendorf,2005)、动态松弛(Barnes,1977;Barnes,Adriaenssens,Krupka,2013)、拓扑优化(SuzukiKikuchi,1991)。虽然这些方法具有高度通用性,但其局限性包括与物理模型相比的损失直觉;通常计算机模拟跨越物理上合理的更广泛领域(Baraff Witkin,1998; Erleben,2005),并且通过模拟找形生成的材料化几何形状通常需要先进的数字制造技术,这些技术很少忠实地再现组合的材料+几何形状效果,而仅仅是其外观。无论如何,概念上的信仰飞跃是不可避免的,无论是脆弱的物理原型还是抽象的计算原语,https://doi.org/10.1016/j.jcde.2018.10.0022288-4300/©2018计算设计与工程学会Elsevier的出版服务这是一个在CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。Y. Chen等人/Journal of Computational Design and Engineering 6(2019)398399需要解释,以解决其建筑,工程和施工的影响。我们的工作正处于物理和数字之间的门槛。其动机是克服这些找形方法之间的差距,解决每种方法的一些局限性,并提出一种新的视角,将几何和物质性与其形成融合在一起。我们介绍了该过程的设计、开发、测试和部署;一个艺术品装置设计的案例研究;并提供了对机器人控制的 找形概 念 的 见 解 (图1)。①的人。3. 相关工作数字设 计和制造 对建筑设计 思维和制 作产生了 深远的影响(Glynn Sheil,2012; Kolarevic&Klinger,2008)。在过去的十年中,工业机器人成为创意设计的流行通用数字媒体( Brell-CockanBraumann,2012; McGee Ponce de Leon,2014)。关于混 合 找 形 技 术 的 相 关 工 作 包 括 ( Kudless , 2011; Dierichs ,Schwinn Menges , 2012; Culver , Koerner&Sarafian , 2016;Bechert等人,2016)。这里提出的制造工艺结合了热成型、通过压印将形状转移到软化的聚合物片材上以及增加片材成型的方面(Black Kohser,2012; Bruninghaus,Krewet,Kuhlenkotter,2012; Friedman,Hosny,Lee,2014;Kalo Newsum,2014),使用简单成形的成型工具以避免产生多个独特的图案,通常耗时且昂贵。此外,我们采用传统的铸造技术,因此整个过程是一种混合多级制造方法。该过程的介绍分为以下几部分:(a)材料研究:确定可控和可再生热处理的热塑性,并浇铸具有高质量表面光洁度的玻璃纤维增强混凝土。(b)系统设计:机器人末端执行器的开发和测试,包括电气和机械集成、参数建模、运动规划和仿真。(d)部署:数字化设计和制造由众多面板组成的大型概念验证4. 材料调查用于薄壁塑料制品热控制成型工艺的材料,如真空成型、冲压、吹塑和注射成型(Howes Laughlin,2012; Lefteri,2007)是热塑性聚合物,包括高抗冲聚苯乙烯(HIPS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚 碳酸 酯 (PC ) 、丙 烯 腈- 丁 二烯 - 苯 乙烯 ( ABS ) 、聚 氯 乙 烯(PVC)、热塑性塑料具有广泛的材料特性,例如机械、热、化学、环境和视觉特性,这使得每种材料都适用于特定的应用。最初的设计设想将成型的薄聚合物髋臼杯直接展开用于艺术品。因此,除了易于热处理、生产后耐久性和每张片材的成本之外,我们还需要高光学透明度。虽然大多数热塑性塑料都可以进行热处理,但并非所有热塑性塑料的性能都相似。它们表现出不同的熔点,这会影响可控性,并且在工艺完成后它们可能变得易碎或不透明(图2)。我们评估了PMMA、聚碳酸酯和无定形PET(APET)。我们发现后者是最容易热处理,以实现深冲压前穿刺,保持表面光滑,而不会起皱,变脆或模糊。也许这也正是它成为最受欢迎的水瓶材料的将制备的APET片材用于短切玻璃纤维增强白水泥的浇注根据表面光洁度和强度,通过实验确定水与水泥的质量比约为15:25(0.6w/c )。与用于施工的典型0.4 w/c 相比,使用了更高的含水量(Kosmakta、Kerkhoff、Panarese,2002),以抵消粘度的增加为了提高铸件的强度,引入了约2.5%的短玻璃纤维。水泥混合物突出了部件的光泽度,其与模具的无纹理表面结合产生类似于高度抛光的环氧化混凝土的结果此外,玻璃纤维还强化了非常脆弱的细节和部件边缘。5. 系统设计热成型系统由机器人、末端执行器、材料定位装置和机电控制系统组成。早期的成型模具是3D打印的,然而快速成型材料不适合,因为它们会受热变形。随后的工具,由增量板成形通知Fig. 1.左:设置概述,包括工业关节机械臂,热成型设备和驱动参数计算机软件。右图:将白水泥浇铸到塑料热成型模具中生产的瓷砖。400Y. Chen等人/Journal of Computational Design and Engineering 6(2019)398图二.上图:由于过度拉伸或塑料片过热而导致的失效案例,以及从模具中取出时的断裂,包括脆性边缘。下图:成功展示了所达到的精度、改善的边缘细节状况和表面光滑度的整体改善更简单,由耐热材料制成与增量金属板成形不同,在增量金属板成形中,机械力缓慢地引起局部塑性变形,聚合物板在热处理时整体表现为弹性膜。重复加热部分成形的片材导致先前诱导的应变不可控制地恢复。最终的工具被设计成在生产速度、制造简单性和几何自由度之间进行调解使用简单的钝工具和利用多轴机器人运动足以在几秒钟内生产出同一系列的各种零件。韧性塑料片和刚性工具之间的相互作用产生了与奥托的经典找形实验不同的人工制品。该过程的独特之处在于能够快速设置实验;微调控制参数、加载和边界条件;实现可重现的结果;同时能够获得稳健的伪影。制造系统由工业机器人组成,即具有10 kg有效载荷和1.3 m水平范围的通用机器人热空气由2 kW/600°C热风枪提供,并由鼓风干燥器冷却。冷却到环境温度并不是严格要求的,因为零件在几秒钟内就会变得足够坚硬。然而,对流空气流的存在使制造加速了几秒钟,这对于大生产变得有意义。使用Rhinoceros/ Grasshopper参数化设计环境、 Jenneratiff数字设计和制造库以及用于软硬件协调的Ardbox工业可编程逻辑控制单元实现了从设计到生产的集成。制造任务的顺序包括:(1)将材料片装载到定位设备中,在定位设备上开始数字制造过程。(2)APET板在高温下加热几秒钟,直到它们变得有延展性。(3)机器人快速接近定位夹具,减速以减少振动,然后开始下降压印材料。(4)关闭热风枪并打开吹风机以冷却塑料。(5)机器人通过向后播放相同的动作来缩回,并且该过程可以重复。使用完全相同的反向3D运动进行回撤对于在不损坏材料的情况下解除接合至关重要。扭转运动倾向于使工具缠绕在柔韧的塑料上,而在冷却期间,柔韧的塑料收缩。在美术作品的开发过程中引入了边缘形成逻辑,以确保加强边缘细节,铸造后的努力。需要预热热风枪,以达到其温度平衡并确保可重复性。该过程是开环的,因为没有集成传感器。相反,它是由动作和信号的仔细定时控制的。设计参数是通过实验得出的。收集的数据建立了操作边界条件,如开始成型前的最小加热量和导致不透明度变化前的最大加热量;材料变得太薄而无法铸造或甚至完全失效前的最大拉伸深度和扭曲角度;以及收回工具前冷却所需的时间(图1)。 3)。6. 部署该过程被用于创作位于新加坡科技与设计大学校园的艺术品作为概念验证,该设计提供了检查过程的效率和可扩展性的机会,确定其瓶颈和限制,并根据特定环境、美学目标和技术要求对系统进行微调。这件艺术品由280个组件组成,排列在一个六边形网格中。它的抽象设计模式是利用数据映射的参数化设计原理由计算机生成的。所有面板都使用相同的模具,但拉伸深度根据整体设计姿态而单独变化。轮廓深度的变化从远距离是察觉不到的,除了从某些观察方向,其中自然光揭示了来自自身阴影投射的整体轮廓。所有元件的旋转扭转角固定为45°。多个参数的过度变化产生了相当冗长的结果。相反,我们使用恒定的角度,粗略观察时产生的伪影看起来简单而一致;然而,仔细检查后,很明显,它们不可能通过任何已知的传统制造程序产生,因为水泥的折痕和褶皱,暗示了首先不可能将这种形式脱模(图4)。事实上,正是由于APET材料的热塑性可成形性,这种设计甚至在物理上是可能的,因为脱模严重翘曲的面板需要重新加热以使聚合物松动并从模具中释放铸件Y. Chen等人/Journal of Computational Design and Engineering 6(2019)398401~~图三. 使用时间顺序任务的流程自动化。每个组件的总时间约为1分钟。图四、艺术品安装的详细视图(摄影:Frank Pinckers)半球形板内接于160 mm直径的圆内,沿平面测量100 mm,深度为50 mm至100 mm。它们的重量约为0.5 kg至1.5 kg,在上部范围内,难以使用建筑砂浆支撑我们通过使用伪偏移曲面创建双面模具来减轻重量,使用相同的运动参数但减少了拉伸深度,并在两个塑料层之间铸造以创建精细的薄壳。玻璃纤维增强水泥确实生产了轻质和坚固的部件,但这项工作变得更加复杂。我们研究了在铸件背面嵌入紧固件和引入纹理图案,但这也增加了复杂性,因此被放弃。我们评估了各种高性能粘合剂,并在80 kg剪切载荷测试后,我们得出结论,使用高强度聚氨酯建筑粘合剂产品。每个部件的热成型时间不到1分钟,所有280个塑料部件的生产时间都不到4小时。所订购的片材是预切割的,因此预处理时间是相当可忽略的。铸造需要2天,总共使用70升的水,117公斤的水泥(0.6 w/c)与5 kg玻璃纤维(2.5%)。通过打磨进行边缘清洁需要几个小时,因为模具采用了重要的细节设计逻辑,以最大限度地减少精加工工作。艺术品安装中最耗费人力和时间的部分是其组装,需要一周以上的时间,包括将部件激光对准到混凝土墙壁基底上的准备工作,以及通过胶带临时支撑的粘合。艺术品的整体尺寸约为9 ×3米,于2017年8月完成。总体而言,该过程的机器人制造组件效率很高,最终结果相当成功(图5)。更有趣的是,从生产速度的角度来看,接近可扩展性概念的愿望是非常有效的,这是一个在建筑设计中经常与尺寸特征相关联的概念,或者等价地最小化每单位时间。不仅增加了速度提供了跨越更大的物理区域,但它有额外的附带好处,如提高最终产品的鲁棒性和质量。这是因为处理有缺陷或非原始部件很容易,因为它们的繁殖速度很快。402Y. Chen等人/Journal of Computational Design and Engineering 6(2019)398图五、完成的艺术品装置(摄影由弗兰克平克斯)。7. 结论从一个专门的功能性角度来看,这里介绍的工艺展示了一种灵活而快速的玻璃纤维增强混凝土构件预制施工方法。虽然这里我们使用GFRP作为铸造材料,但也可以使用其他材料,如陶瓷。虽然所制造的单个面板的尺寸在典型建筑瓷砖的范围内,但是可以预见的是,通过调整定位夹具和加热元件,可以生产更大规模的模块。这些可用于传统的GFRP覆层应用,其目前使用由胶合板华夫格结构或计算机数控加工的聚合物泡沫为每个独特图案单独制造的模板提高生产几何形状复杂的模具的速度的能力,包括由于热塑性塑料实现的极好的表面光洁度而减少后处理时间的能力是显着的。此外,PET是最可回收的热塑性聚合物之一,这意味着与再生胶合板和EPS/PU泡沫相比,根据该工艺的可持续性特征,具有额外的生产优势数字化设计和制造技术,如参数化建模和工业机器人技术,通过软件和硬件的集成,为材料转化过程的创造性实验提供了机会,这在过去是无法实现的。我们特别感兴趣的是不再试图将设计思维和构建的传统人类行为映射到数字媒体中的过程领域,或者通过强大的机械将设计思维强制执行到材料中,例如在缺乏材料理解和整合的情况下设计复杂的机械加工或3D打印形式。当然,这些在建筑、制造和一般工程的自动化中是有价值的,但也有机会发现新的工艺,其中一些可能成为未来的新规范。从物质性和形成过程的相互作用中得出人工制品的概念,有时是由美学驱动的,有时是由功能要求驱动的,最好是由它们的组合驱动的,这是形式发现的灵感所在。所提出的过程和案例研究提供了一个一般的在物理和数字设计之间的边界上思考和制作的方法。致谢这项工作得到了SUTD-MIT国际设计中心(IDC)、SUTD数字制造和设计中心(DMAND)以及新加坡科技与设计大学校园发展办公室的支持。引用Adriaenssens,S.,Block,P.,Veenendaal,D.,&威廉斯角,澳-地(2014年)。建筑的壳结构:形式发现和优化。劳 特 利奇。Baraff,D.,Witkin,A.(1998年)。布料模拟中的大步骤Siggraph(pp. 43-54)。Barnes,M. 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