Flexible tiling : custom fabrication method for double curved active textiles

Abstract

The fabrication of double curved geometries is a topic of interest across various fields and especially in architecture, with traditional methods often relying on molds and formwork, making the process resource intensive. Recent material-driven research into programmable matter and active materials— characterized for example by their ability to self-transform from 2D to 3D geometries—has aimed to address these challenges, but not yet achieved precise curvature control and scalability. This thesis investigates a material-centered approach for fabricating double curved surfaces using "Active Textiles," a composite material system formed by 3D printing plastics on pre-stretched fabric. Upon tension release, the fabric transitions from a flat 2D state into a double curved 3D configuration. Initially, this study focused on systematic material experiments to examine fabrication parameters such as pre-stretching patterns and 3D printed cross-section thickness on individual tiles. A custom-built digital fabrication setup was developed to ensure precision and repeatability in producing double curved tiles. These experiments uncovered key relationships between material properties, fabrication methods, and resulting tile geometries. Building on the insights gained from the material experiments for individual tiles, the research explores the innovative approach of tiling these active textile components. It examines the interactions between individual tiles and their collective influence on the overall surface geometry. This enabled the fabrication of a larger digitally designed surface, demonstrating potential for scalability and enhanced curvature control. By focusing on material-driven methods, this research highlights the potential of programmable materials in fabricating intricate double curved surfaces rapidly. Despite identified limitations in scalability and material rigidity, the findings pave the way for future advancements in active textile fabrication techniques and programmable matter applications.

In verschiedenen Bereichen, insbesondere aber in der Architektur, ist die Herstellung von doppelt gekrümmten Flächen ein relevantes Thema. Traditionelle Methoden greifen dabei oft auf die Verwendung von Formen und Schalungen zurück, welche diesen Prozess ressourcenintensiv und zeitintensiv machen. Aktuelle materialbasierte Forschung zu “programmable matter” und “active materials”, die sich beispielsweise durch ihre Fähigkeit sich von einer 2D- in eine 3D-Form zu transformieren auszeichnen, zielt darauf ab, sich diesen Herausforderungen zu stellen. Jedoch wurde bislang keine präzise Steuerung der Flächenkrümmung oder Skalierbarkeit erreicht. Diese Diplomarbeit untersucht einen materialzentrierten Ansatz zur Herstellung doppelt gekrümmter Flächen mithilfe von „Active Textiles“, einem Verbundmaterialsystem, das durch 3D Druck von Kunststoffen auf vorgedehntem Textil entsteht. Beim Lösen der Spannung wandelt sich der Stoff von einem flachen 2D Zustand in eine doppelt gekrümmte 3D Konfiguration.Zu Beginn konzentrierte sich die Studie auf systematische Materialexperimente, um Fertigungsparameter wie Dehnungsmuster und die Dicke der 3D gedruckten Querschnitte auf einzelnen Flächen zu untersuchen. Eine eigens entwickelte digitale Fertigungsmethode wurde geschaffen, um Präzision und Wiederholbarkeit bei der Herstellung zu gewährleisten. Diese Experimente offenbarten zentrale Zusammenhänge zwischen Materialeigenschaften, Fertigungsmethoden und den resultierenden Geometrien der Teilflächen. Aufbauend auf den Erkenntnissen der Materialexperimente für einzelne Flächen erforscht die Arbeit den innovativen Ansatz, diese „active textile components“ zu einem Gesamt-Flächensystem zu kombinieren. Dabei werden die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Teilflächen und ihr kollektiver Einfluss auf die Geometrie der Gesamtfläche untersucht. Dies ermöglichte die Herstellung einer größeren, digital entworfenen Fläche und demonstrierte das Potenzial für Skalierbarkeit und verbesserte Krümmungssteuerung. Durch den Fokus auf materialgesteuerte Methoden unterstreicht diese Forschung das Potenzial von „programmable materials“ zur schnellen Herstellung komplexer doppelt gekrümmter Flächen. Trotz Einschränkungen hinsichtlich Skalierbarkeit und Materialsteifigkeit ebnen die Ergebnisse den Weg für zukünftige Fortschritte in der Fertigungstechnologie von „active textiles“ und in der Anwendung von „programmable matter“.