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CurVoxels|巴特莱特建筑学院学生团队探索新型3D打印

FAB-UNION

作者:CurVoxels Team-李晓琳

来自伦敦大学学院(UCL)巴特莱特(Bartlett)学院的学生团队CurVoxels开发出一种新的3D 打印技术打印复杂的曲线的三维空间结构。该团队毕业设计Spatial Curves 获伦敦大学巴特莱特建筑学院建筑设计金奖,由著名筑设计师兼理论家Peter Cook 颁奖。

设计灵感|Spatial Curves

传统数字参数化设计受限于旧的建造方式,但是随着科技发展涌现出了更多的建造可能性,比如3D 打印。21 世纪数字建造提供了改变建筑模式的机遇,可以用机器人作为数字设计和数字建造之间的媒介。本设计希望在当今数字设计和建造的语境下赋予空间结构新的语义,通过连续的3D 空间打印技术造就优雅的空间曲线,从而创造新的建筑形式,模糊传统建筑屋顶,墙面,地板之间的界限,使人置身其中有完全不同的感受。

CurVoxels 团队名字来源于英文单词Curve 与Voxel 的组合。Voxel 中文翻译是体素,即顾名思义是体积的像素。用来在三维空间中表示一个显示基本点的单位,类似于2D平面下的像素(pixel)。像素具有一样的基本形状,即正方形,但是他们带有不同的色彩信息,当它们大量组合在一起作为整体来阅读就有了一幅二维画面。

同样地,当带有特殊信息的体素组合在一起会形成一个三维空间。

方案选取贝兹曲线(Bezier Curve)作为研究对象来代表体素的信息,因为贝兹曲线至少有4 个控制点在体素的顶点上,它可以很好地表示体素的三维位置;同时可以完成由Voxel (体)向Curve(线)的转化,与3D 挤出头线性建造方式统一。

设计建造|Continuity Combinatorics Density Printability

然后设计重点解决几个设计中的关键词:连续性,组合性,密度,可打印性。先用3D 打印笔进行小尺度打印模拟,研究如何使结构自我支撑,并且打印连续且打印头不与打印部分发生碰撞。然后是对组合学的研究,组合数学也是一种算法逻辑,如果把骰子看成一个体素单元,其每个面带有不同信息,通过旋转组合,相同的面进行拼合,可以无限生长。同理,先在二维空间研究2D 曲线如何旋转组合生长,进而拓展到三维空间,我们制作了一个小的概念性建筑。

Combinatorics 组合学研究

2D 曲线组合逻辑研究

2D逻辑下不同限制条件的组合研究

3D 曲线组合逻辑研究

3D逻辑下不同限制条件的组合研究

为了空间框架能够被实现,首先需要对结构进行优化分析,第一种方法将Octree(八叉树)理论运用到计算算法,Octree 是用于描述三维空间的树状数据结构,想象一个立方体,其最少可以切成8个相同等分的小立方体,以此进行空间结构细分,通过提高密度增强薄弱点强度。第二种方法是提高曲线直径加强薄弱地方强度,这和第四代打印装置三头设计也是符合的。出于建造的目的,设计的可打印同样重要,方案通过连续的曲线形成立体像素的自组装,利用多种路径组合的研究让线条呈现连续性并且美观、结构合理且最终能够被打印。

结构分析

Octree 研究

结合3D打印以及不同材料属性的结构研究

原型单元|Curve Prototype

通过对以上问题的研究,最终设计一种Voxel 内曲线原型,由此Voxel 可以通过24 种旋转方式转化成不同数据(data)。制定一种计算机算法逻辑使曲线原型通过旋转组合在一起并且生长。同时机械臂打印路径和这种算法逻辑也是一致的。

最终选择一种曲线原型及其24 个旋转方向

曲线原型的组合

该曲线原型旋转组合的算法逻辑

设计建造|3D Spatial Printing

传统的3D 打印类型无论是挤压(FDM, FFF),颗粒烧结(SLS, SLM,DMLS),层压(EBM, LOM)光聚合(SLA,DLP)都是在二维平面上进行,通过层层叠加形成三维物体。这种方式有局限性:1 ,打印悬挑结构时需要支撑材料。2, 需要严格水平的打印工作平面。3, 部分材料浪费。

CurVoxels 小组的设计研究希望进行空间3D 打印曲线,难度甚于空间打印直线,需要打印过程中时刻定型。他们自行研发设计制造了3D 打印装置,其喷嘴能够挤出直径四至六毫米的塑料长丝,配合冷却系统该塑料丝能在空气中立刻固化。当该3D 打印装置装在机械臂上,将设计的路径信息输入,机械臂能自主按指定路径运动,配合3D 打印装置能够持续不断地挤压出数千米空间线条。不同于传统的3D 打印方式都是在二维平面上通过层层叠加形成三维物体,3D 空间打印能用更少的材料更快地完成打印,同时结构优化并保持高度的细节,甚至完成传统3D 打印难以打印的悬挑结构。第一代装置:可以打印,但是不能空间定型,需要外界支撑。第二代装置:添加冷却系统,可以空间定型,但是打印速度慢。第三代装置:添加双马达系统,提高打印速度10 倍,该装置参加多伦多3DXL exhibition。第四代装置:添加三头打印,三个打印头可以同时打印也可以分开打,从而改变打印粗细,或者完成多材料混合。

第四代装置的打印过程

打印细节

设计作品|New Panton Chair

潘顿椅(Panton Chair)诞生于1906 年是世界上第一个模制塑料椅子,后续有一些在其原型基础上的新的设计。选择潘顿椅作为原型,将前期研究的设计逻辑运用其中,用数字设计和3D 打印的手法重新诠释潘顿椅,成为这个时代下的新的潘顿椅。

潘顿椅历史研究

设计采用12 种不同的结构优化,用新的方法诠释潘顿椅,并选取其中3 种有代表性的进行打印建造。

12 种设计方法重新诠释潘顿椅

其中几种椅子设计渲染图

椅子打印路径& 机械臂打印过程

椅子1,由基础的单元组成,所有voxel都是单一的尺寸;椅子2在1的基础上利用Octree原理,Voxel有两个尺寸;椅子3,在1的基础上利用Octree原理,Voxel有4个尺寸,最小的尺寸可以看作点,因此成为直线。

椅子3的承重性展示

椅子剖面

椅子2细部

设计作品|CurVoxels Spiral Staircase

关于螺旋楼梯的使用可以追溯到几个世纪之前,虽然它的起源位置,但在最早的历史记载中,它作为塔中常用的建筑构件帮助军队到达高处获得战争的优势地位。最初的螺旋楼梯是由石头做成,与中世纪城堡与灯塔的材质相同,通过几个世纪,螺旋楼梯已经可以通过定制满足不同的风格、形式以及功能。和椅子的研究策略相同,螺旋楼梯选用Folio楼梯作为重新诠释的原型,利用新的设计方法进行空间打印。在建筑层面,希望在当今数字设计和建造的语境下赋予空间结构新的语义,通过连续的3D 空间打印技术造就优雅的空间曲线,从而创造新的建筑形式,模糊传统建筑屋顶,墙面,地板之间的界限,使人置身其中有完全不同的感受。

Folio楼梯原型&楼梯构件单元设计研究

用设计语言重新诠释楼梯

楼梯局部细节

成果展览

设计团队|CurVoxels Team

导师:Manuel Jimenez Garcia( 西班牙), Gilles Restin( 比利时),

团队成员:李晓琳( 中国), Hyunchul Kwon( 韩国), Amreen Kaleel( 印度)

该项目为UCL Bartlett MArch 建筑学研究生研究设计项目。曾获得UCL Bartlett 建筑设计金奖,总共耗费5 万人民币。


部分图片及文字来源:

郑静云 同济大学建筑与城市规划学院硕士研究生


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