Dijital Üretim Süreçlerinin Görsel Şemaları

Abstract

Üretim yöntemlerinin otomasyon süreçleri ile entegre edilmesi, mimari tasarımda biçimsel bir devrim yaratmıştır. Geleneksel yöntemler dahilinde seri üretim süreçlerinin empoze ettiği, yapı bileşenleri arasında standartlaşma yerini farklılaşmaya bırakmıştır. Otomatize edilen üretim yöntemleri ile biçimsel olarak farklılaşan yapı elemanları kolaylıkla üretilirken, bu süreçlerin planlanması ve tasarım metodolojileri kapsamında ele alınması, mimarlık çevrelerinde yaygın bir araştırma konusu haline gelmiştir. Bu arayışlara cevaben, dijital ortamda geliştirilen yeni araçların olanakları, beraberinde kendine özgü süreçleri de getirirken, tasarım probleminin geleneksel çerçevenin dışında yeniden ele alınması ihtiyacı doğmuştur. Mimari temsil alanında yaygın olarak kullanılan bilgisayar destekli, hesaplamalı yöntemlerde, tasarım objesinin biçimsel ozelliklerini, notasyonel verilere dönüştüren modellerden yararlanılmaktadır. Çoğunlukla tasarımcının bu modellerle etkileşimi tasarım parametrelerinin sayısal verilere dönüştürüldüğü arayüzler aracılığıyla gerçekleşir. Bu tez kapsamında, biçimin matematiksel ifadelerle tanımlandığı modellerin, tasarım sürecine dair deneyimsel bilgiyi açığa çıkaran görsel kurallarla desteklenmesi önerisi getirilmektedir. Görsel kurallar, biçimi oluşturan etmenlerdeki malzemeye dayalı dönüşümleri muğlak bir biçimde belirlemede etkindirler. Malzeme ile biçim arasındaki ilişkiyi aktarırken, tasarımcının malzeme ile etkileşimindeki belirsizlik unsurunu da kapsarlar. Bu çalışma, malzeme ve biçim arasındaki ilişkinin malzemeyi dönüştüren üretim süreçleri bağlamında görsel kurallar ile nasıl modellenebileceğini araştırmaktadır. Tasarım ürünü onu üretim süreçleri kapsamında biçimlendiren etkenler ile ele alınmıştır. Tez çalışmasının ilk bölümünde görsel şemaların ve kuralların tariflendiği, I.T.U. Mimari Tasarımda Bilişim, Dijital Mimari Tasarım Stüdyosu kapsamında geliştirilmiş bir çalışma sunulmuştur. Sunulan deneysel çalışma, tez kapsamındaki diğer çalışmalara öncülük etmiştir. Deneylerde, alçı malzemesi ile elastik kalıbın etkileşiminden doğan malzeme dönüşümleri incelenmiş ardından süreç görsel şemalarla tariflenmiştir. Çalışma, biçimi ortaya çıkaran süreçlerin görsel kurallara aktarılmasına bir örnek teşkil etmektedir. Görsel şemaların oluşturulmasına dair metodolojik yaklaşımı içeren öncül çalışmanın aktarılmasının ardından, dijital üretim yöntemleri genel olarak sınıflandırılmış ve şemalarla ilişkilendirilerek örneklendirilmiştir. Bu bölümde üretim yöntemleri, malzemeyi dönüştürme biçimlerine göre üç ana başlık altında ele alınmıştır. Bunlar, tezde ele alınış sıralarına göre; eksiltmeli (subtractive), şekil vermeye dayalı (transformative) ve eklemeli (additive) yöntemlerdir. Ana başlıkların kapsamının belirlenmesinde yararlanılan geleneksel sınıflandırrma, alt başlıklarla, malzemenin biçimsel özelliklerini ve üretim yöntemlerinin biçimi dönüştürme potansiyelleri bağlamında geliştirildi. Eksiltmeli yöntemlerin güncel örneklerle tartışıldığı ilk bölümde malzeme morfolojik özelliklerine göre kesim veya frezeleme işlemleriyle bağlantılı olarak ele alınmıştır. Levha ve blok halindeki malzemeyi dönüştüren eksiltmeli süreçler dijital üretim ve mimari tasarım kapsamında incelenmiştir. Otomatize edilmiş eksiltmeli süreçlerden lazer kesim, CNC frezeleme ve robot kollu sıcak tel kesimi gibi teknikler örneklendirilmiş ve görsel şemalarla ilişkileri kurulmuştur. Malzemeyi parçalara ayıran bu yöntemler, yapı bileşenlerinin imal edilmesinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Malzemeye biçim veren (transformative) yöntemler malzemenin kütlesini eksiltmeden veya arttırmadan biçimini değiştirirler. Bu yöntemler malzemeyi dönüştürme biçimlerine göre ayrıştırıldı ve örneklerle ele alındı. Hava basıncı ile şekil verme yöntemi, iç hava basıncı ve vakumlama ile şekil verme örnekleri ile ele alındı ve bu yöntemler için geliştirilen hesaplamalı tasarım süreçleri tartışıldı. Bükme ve katlama gibi mekanik kuvvetler ile biçimlerilen yöntemlerde ahşap ve metal levha gibi malzemelerin dönüşümleri incelendi. Son olarak sıvı malzemeye kalıplar aracılığıyla biçim veren süreçler sunuldu. Eklemeli yöntemler, kullanılan malzemenin ve üretimin boyutsal özelliklerine göre iki başlık altında incelendi. Bunların ilki mimari tasarımda çeşitli evrelerinde yararlanılan üç-boyutlu baskı, stereolitografi (3DP, STL) gibi hızlı prototipleme yöntemlerini kapsarken, ikincisi mimari ölçekteki üretim süreçlerini ele almaktadır. Hızlı prototipleme yöntemleri yaygın kullanımlarının dışında tasarım ürünün son halinin üretimine yönelik yaklaşımlar ile örneklendirilmiştir. İkinci bölümde ise otomatize edilmiş mimari ölçekteki üretim süreçleri incelenmiştir. Bunlardan bazıları granüler malzeme ile üçboyutlu baskı yapan yöntemler ile robot kolla modüler malzemenin düzenlenmesini içeren yöntemlerdir. Dijital fabrikasyon yöntemlerinin görsel şemalarla ilişkilendirildiği literatür araştırmasının ardından, bu bölümde sunulan temel sınıflandırma dahilinde bir dizi deney yürütülmüştür. Deneylerde üretim yöntemleri çeşitli tasarım problemleriyle ilişkilendirilmiş ve araştırılan süreçlerin görsel şemaları belirlenmiştir. Sonrasında bu şemalara ait görsel kurallar dijital ve fiziksel modellerin kurgulanmasında kullanılmıştır. Bu araştırmalarda tasarım ürünü üretim bağlamında, onu ortaya çıkaran süreçlerle ele alınmıştır. Malzemeye biçim veren üretim tekniklerinin potansiyelleri süreçlerin görsel kurallarının oluşturulması yöntemiyle incelenmiştir. Görsel kurallar malzemeyi dönüştüren mekanizmaları açığa çıkarmaları bakımından tasarım ile üretim süreci arasında bir köprü oluşturmaktadır. Deney kapsamında geliştirilen modellerde, tasarımcının içselleştirebileceği bir temsil aracı olarak görsel kurallardan faydalanılmış ve formun matematiksel ifadelerde tariflendiği indirgemeci yaklaşımlara alternatif bir yaklaşım önerisi sunulmuştur. Eksiltmeli yöntemlerin incelendiği deneysel çalışmalarda robot kol ile sıcak tel kesim tekniği ele alınmıştır. Deneysel çalışmada, 2013 ECAADE konferansi kapsamında robot kol ile üretim atölyesinde yapılan çalışmalardan yola çıkılmıştır. Tel kesimin, blok halindeki malzemeyi, bir bütünün parçalarını oluşturan bileşenlere dönüştürme potansiyeli bir tasarım problemi olarak süreklilik bağlamında ele alınmıştır. Tel kesim yöntemiyle üretilen hacimsel parçalarla sürekli bir yüzeye sahip bir strüktür oluşturulmuştur. Bunun için tel kesicinin mekan içindeki hareketleriyle tanımlanan regle yüzeylere sahip bileşenler tasarlanmıştır. Sürecin farklı aşamalarını temsil eden görsel kurallar oluşturulmuştur. Kurallar ile bileşenlerin oluşturduğu yapının yüzey sürekliliğinin kontrol edilmesi amaçlanmıştır. Son aşamada, görsel kurallar aracılığıyla dijital ve fiziksel modeller oluşturulmuştur. Form vermeye dayalı yöntemlerin ele alındığı ikinci grup deneylerde, bir önceki deneyde ele alınan modelin regle yüzeylerinin yeniden üretimi hedeflenmiştir. Tüm deneylerde aynı hacmin farklı malzeme ve yöntemlerle üretilmesi amaçlanmıştır. Bu yaklaşım çalışmanın sonunda farklı süreçlerin arasında bir karşılaştırma yapılmasına olanak tanımıştır. Form vermeye dayalı deneylerde, şerit morfolojiye sahip malzemelerin, bükme yöntemiyle biçim değiştirme süreçleri incelenmiştir. Bir önceki deneydeki regle yüzeylerin elde edilmesi için düzlemsel malzemenin iki farklı yönde bükülmesini sağlayan curling yöntemi geliştirilmiştir. Bu yöntem çeşitlilik kavramı üzerinden ele alınmıştır. Çeşitlilik kavramı form vermeye dayalı yöntemlerdeki devingen süreçlere ve dönüşümün farklı aşamalarındaki biçimsel çeşitliliğe işaret etmektedir. Çalışma sonunda, sürecin modelleri, devingenlik unsurunu formalize eden görsel kurallardan faydalanılarak oluşturulmuştur. Son olarak eklemeli yöntemler, denge kavramıyla ilişkilendirilerek ele alınmıştır. Bu deneylerde önceki iki deneye konu olan regle yüzeyler kısmi olarak çizgisel elemanlarla üretilmiştir. Eklemeli yöntemler dahilinde yapı bileşenlerinin organizasyonu ve bu bileşenler arasındaki ilişkilerin tanımlanması görsel kurallarla sistematize edilmiştir. Regle yüzeyin oluşturulması için bileşenlerin hareket etmesine olanak tanıyan esnek eklemlerle birbirine bağlı, lineer elemanlardan oluşan bir model önerisi geliştirilmiştir. Tasarlanan esnek bağlantıların, FDM yöntemi ile prototipleri oluşturulmuştur. Önerilen üretim detayı lineer elemanların organizasyonunu formalize eden görsel kurallarla olusturulan dijital model aracılığıyla geliştirilmiştir. Farklı üretim metotlarının analizi ve bu metotlar ile yapılan deneyler aracılığıyla türetilmiş görsel şemalar, üretim süreclerindeki malzemeye dayalı dönüşüm süreçlerinin karşılaştırılmalı analizinin yapılmasına olanak tanımıştır. Analizler malzemenin dönüşen biçimi ile süreçlerin ilişkilendirilmesi yoluyla yapılmıştır. Araştırmada ele alınan tüm üretim teknikleri malzemeyi içerdikleri süreçlere özgü bir biçimde dönüştürmektedir. Deneylerde yapılan gözlemlerin sonucunda süreçlerdeki malzeme dönüşümleri genel şemalarla ilişkilendirilmiştir. Eksiltmeli yöntemler Boolean şemaları ile, form vermeye dayalı yöntemler topolojik dönüşüm şemaları ile, eklemeli yöntemler ise öklit dönüşüm şemaları ile tariflenmiştir Çoğunlukla üretim süreçleri birçok farklı tekniğin bir araya gelmesiyle oluşur. Görsel şemalar tasarımcıya farklı süreçlerin potansiyellerine dair farkındalık kazandırması bakımından önem teşkil etmektedir. Böyle bir farkındalık tasarımcının, biçimi, onu ortaya çıkaran süreçler ile almasını sağlar. Görsel şemalarla oluşturulan dijital modeller tasarımcının modelle etkileşimini arttırır. Bu modeller, üründen ziyada sürece odaklanan tasarım yöntemlerinin benimsenmesine olanak tanır. Görsel kurallar, deneylerin bir parçası olarak dijital modelleri oluşturan şablonlar olarak kullanılmaktadır. Görsel kurallar ve daha genel halleriyle görsel şemalar, malzeme dönüşüm süreçlerinin bir dökümantasyonu olmalarının yanısıra, tasarımcının bu süreçlerle ektileşiminden doğan algıyı dışsallaştıran temsil araçlarıdır.

Visual rules are powerful in loosely capturing the impact of material behavior on form in designer’s hands-on experimentation. They present a first step to translate the causal relations between material and form to computation without sacrificing the uncertainties in the designer’s interaction with the materials. This study investigates how to model the relation between material and form with visual rules so that the model embodies the procedural logic of transformation of materials in digital fabrication processes. The focal point of investigations in this thesis is the real-life formal transformations of materials that shape the designers’ decisions throughout the design process. The design product is examined in relation to the fabrication processes that it is realized through. The first part of the thesis introduces the visual schemas along with a digital design experiment presented as a preliminary study on building visual rules of material transformations. The study presented in this section aims at clarifying what visual rules are and how they are constructed. The second chapter discusses the schemas used in digital fabrication methods in the light of current examples from different fields of design. The categorization of production methods used in this section are carried on to the experiments presented in the last three chapters. Following the literature review on current digital fabrication techniques three experiments are conducted with subtractive, transformative and additive fabrication methods and the visual schemas of each process are examined. In the experiments different design problems are posed in relation to the different fabrication processes. The subtractive, transformative and additive fabrication processes are associated with design issues respectively: continuity, variance and balance (reciprocity). In all of the experiments material transformations in specific fabrication techniques are formalized with visual schemas and the digital and physical models are constructed based on the rules of these schemas. In the experiments with subtractive methods robotic hot wire cutting process is researched. The potential of the solid cutting process to produce parts for a continuous assembly is explored. The proposed component-based assembly design in this section is reproduced in the following experiments with transformative and additive methods to be able to pursue a comparative analyses between different processes at the end of the study. The experiments with transformative methods investigate topological transformations of a flexible sheet in relation to the formative process of bending. Last set of experiments approach the balance issue in an additive assembly by formalizing the organizational logic and the relations between different parts of the assembly with visual rules. In all of the experiments digital modeling approaches are proposed to represent different instances of material transformation in fabrication processes. The analyses of different production methods and the visual schemas derived based on the experimentations with each method lead the way to a comparison between the different transformative processes in each method. The analyses are made in relation to the spatial qualities of the materials to be transformed. ). Each fabrication method has a distinct way of transforming the materials corresponding to a specific schema. The production of a designed object often includes a combination of different processes. Through visual schemas the designer gains an awareness of characteristics of these processes. Thus the designer becomes the orchestrator of the different transformative processes shaping the design object. Visual schemas bridging the gap between the design product and fabrication includes making in the design process. A second conclusion drawn from this research is that visual rules reveal the logic of material transformation processes in fabrication methods, and have the potential to serve as guiding systems for the designer in digital design platforms. Computational models of material systems transformed by the tools of fabrication established with visual rules yield to new design methodologies that are focused on the process rather than the product. The visual rules are used as templates in constructing the digital models as part of the experiments. Visual rules and visual schemas as their more general versions, not only document transformations but also summarize and help systematize the designer’s perception of founding relations of actions.