Selbstformende Textilien : Formfindung zugfester Oberflächenstrukturen durch 3D-Druck auf vorgespannten Textilien

Widespread computer-aided design and manufacturing technologies enhanced the possibilities to design and produce forms of increasing complexity. One of the byproducts of these technological advancements in the architectural practice is the pervading trend where materials are forced into predefined geometries, resulting in supremacy of form over matter. This thesis investigates material-based form-finding methods as alternatives to the form-driven approach. It draws inspiration from the intrinsically efficient self-shaping processes in nature where forms result from complex interactions between material and the surrounding environment, hence focuses on forms created to a large extent by surface tension. In the man-made environment, such tension-active realizations are primarily represented by textile structures. Textiles always played an important role in the way humans interacted with their environment, creating a bridge between natural and man-made constructions. Due to their inherent properties such as softness, flexibility and high tensile strength, textiles have the potential to create novel solutions for efficient and adaptable structures. Analogous to the biological systems, the hierarchical structures of textiles allow them to evolve and adapt across different scales. These possibilities are further enriched by the growing influence of digitized construction, as well as developments of new materials with enhanced characteristics. Additive manufacturing has been one of the fastest evolving technologies in the last few decades, continuously expanding the possibilities of fabricating physical objects. This customized digital production technology together with the latest advancements in material science enable local differentiation of material properties and facilitate the fusion with other practices such as textile manufacturing. This research proposes the use of 3D printing on pre-stretched textiles as an alternative material-based form-finding technique. This method relies on 3D printing a less elastic material on top of an elastic, pre-stressed fabric. Upon the release of tension, the fabric self-shapes into balanced, three-dimensional structures. Forms created this way are pure representations of their material properties, elastic energy stored in these materials and forces acting on them. Large part of the investigation focuses on experimental prototyping, classifying possible shapes that emerge from this process, as well as identifying their potential and limitations. It advocates a bottom-up design methodology in place of reverse engineering of target shapes, which has notable implications on conceivable forms. The analysis concentrates on two different design strategies: 3D printing open and closed shapes. Both design methods are explored by design in three consequent case studies, looking at different aspects of textile composite structures such as scalability, adaptability and local differentiationheterogeneity. The first case study examines the possibilities of continuous, out-of-the-roll manufacturing as a method to upscale the production process. The second study looks at different strategies to trigger the change of shape. Finally, the third exploration focuses on the possibility to program the behavior of knitted fabrics by locally alternating the structure of the knit. Contrary to most architectural textiles, being framed and bereft of their intrinsic characteristics such as softness and malleability, this approach keeps the fabric in movement and allows us to envision novel textile tectonics of seamless, heterogeneous and adaptable spaces.Die weit verbreiteten computergestützten Entwurfs- und Fertigungstechnologien haben es ermöglicht, immer komplexere Formen zu entwerfen und herzustellen. Ein Nebeneffekt dieser technologischen Fortschritte in der architektonischen Praxis ist der gegenwärtige Trend, Materialien in vordefinierte Geometrien zu zwingen. In dieser Arbeit sind materialbasierte Formfindungsprozesse als Alternativen zu diesem Trend untersucht. Diese gehen zurück auf Formfindungsprozesse aus der Natur, wo Formen aus komplexen Wechselwirkungen zwischen Material und Umgebung entstehen. Hierbei liegt mein Schwerpunkt auf Formen, die weitgehend durch Oberflächenspannung generiert werden. Diese spannungsaktiven Konstruktionen werden meist durch textile Strukturen umgesetzt. Textilien spielten schon immer eine wichtige Rolle in der Art und Weise, wie der Mensch mit seiner Umwelt interagiert. Sie bildeten eine Brücke zwischen natürlichen und den von Menschen geschaffenen Konstruktionen. Aufgrund ihrer inhärenten Eigenschaften wie Weichheit, Flexibilität und hohe Zugfestigkeit haben Textilien das Potenzial, innovative Lösungen für effiziente und anpassungsfähige Strukturen zu ermöglichen. Ähnlich wie bei biologischen Systemen können sich Textilien aufgrund ihrer inneren Struktur den jeweiligen Anforderungen anpassen. Dieses Potential wird durch den wachsenden Einfluss der digitalen Konstruktion und der Entwicklung neuer Materialien mit intelligenten Eigenschaften ständig vergrößert. Die additive Fertigung ist eine der sich am schnellsten entwickelnden Technologien der letzten Jahrzehnte, die die Möglichkeiten zur Herstellung physischer Objekte erweitert. Diese maßgeschneiderte, digitale Produktionstechnologie zusammen mit neuesten Fortschritten aus der Materialwissenschaft ermöglichen eine lokale Differenzierung der Materialeigenschaften und erleichtern die Verknüpfung mit anderen Produktionverfahren wie der Textilherstellung. In dieser Forschungsarbeit wird der Einsatz des 3D-Drucks auf vorgespannte Textilien als alternative materialbasierte Formfindungstechnik untersucht. Die Methode beruht auf dem 3D-Druck eines weniger elastischen Materials auf ein elastisches, vorgespanntes Textil. Lässt die Spannung nach, formt sich der Stoff selbst zu einer dreidimensionalen Struktur. Die dadurch entstandene Form ist Abbild der Materialeigenschaften und der auf das Material wirkenden Kräfte. Ein großer Teil der Untersuchung konzentriert sich auf das experimentelle Prototyping, die Klassifizierung möglicher Formen, die Ermittlung des Potenzials sowie die Grenzen des Materials. Es wurde eine Bottom-up Designmethodik anstelle des Reverse-Engineerings gewählt, was enorme Auswirkungen auf die Vielfalt der möglichen Formen hat. Die Analyse konzentriert sich auf zwei unterschiedliche Designstrategien: 3D-Druck von offenen und geschlossenen Linienzügen auf Textil. Beide Entwurfsmethoden sind in drei aufeinander aufbauenden Fallstudien erforscht, wobei verschiedenste Aspekte von textilen Verbundstrukturen wie Skalierbarkeit, Anpassungsfähigkeit und lokale Differenzierung untersucht werden. In der ersten Fallstudie geht es um die Möglichkeit zur kontinuierlichen Fertigung von der Rolle als Methode zur Skalierung des Produktionsprozesses. Die zweite Studie befasst sich mit verschiedenen Strategien zur Formveränderung. Die dritte Untersuchung schließlich konzentriert sich auf die Möglichkeit, das Verhalten von Textil zu programmieren, indem die Struktur des Textils lokal verändert wird. Im Gegensatz zu den meisten architektonischen Textilien, die gerahmt und dadurch ihrer eigentlichen Eigenschaften wie Weichheit und Formbarkeit beraubt sind, ermöglicht dieser Ansatz eine neuartige textile Tektonik von nahtlosen, heterogenen und anpassungsfähigen Räumen