Design-to-Fabrication Workflow for Carpentry Joints with the use of Algorithms-Aided Design

Abstract

Med fremveksten av computed-aided design (CAD) og computer-aided manufacturing (CAM), har tradisjonelle knutepunkter i tre igjen blitt relevante og ettertraktede. Moderne digitale produksjonsmetoder kan gi nøyaktig utkutting av komplekse geometrier, og dermed erstatte det tid- og arbeidskrevende håndarbeidet som tidligere var nødvendig. Automatisert produksjon vil også bidra til høyere presisjon, enklere montering og ikke-ødeleggende demontering. I tillegg fremstår konstruksjoner i ett materiale mer konsistent, noe som vil kunne øke den estetiske verdien.

En annen grunn for økt interesse for tradisjonelle knutepunkt i tre, er det økende fokuset på å redusere konstruksjoners karbonfotavtrykk. Ved å utnytte egenskapene til tre blir det mulig å konstruere trekonstruksjoner uten bruk av eksterne festemidler i metall. Kombinert med fremveksten av CAM, blir det mulig å revitalisere disse tradisjonelle knutepunktene og automatisere produksjonen av hvert unike knutepunkt.

Oppgavens mål er å undersøke og skape en sømløs arbeidsflyt der knutepunkter i tre kan modelleres, analyseres og fabrikkeres ved hjelp av tilgjengelig programvare og verktøy. Selv om fremveksten av robotikk er et faktum, er det fortsatt mangler på verktøy som automatisk genererer utskjæringskurvene, kjent som toolpaths. En algoritme har derfor blitt utviklet for å dekke dette behovet, som en del av arbeidsflyten. Algoritmen ble laget i det parametriske programmet Grasshopper. Et testeksemplar ble produsert utelukkende ved bruk av en seksakset robotarm for å feilsøke og utvikle koden underveis. Mangelen på standardiserte analysemetoder for knutepunkter i tre ble dekket ved å inkludere en FEM analyse for å verifisere kapasiteten ved bruk av Ansys. Programmet tillot å laste inn ekstern geometri og definere anisotropiske materialmodeller, deretter ble det generert mesh og analysen ble utført.

Til slutt ble den utviklede arbeidsflyten testet på en casestudie av en takstol. Dette casestudiet var vellykket, og verifiserte funksjonalitetene til den etablerte arbeidsflyten, og synliggjorde hvilke muligheter som finnes for videre utvikling.

With the emergence of computer-aided design (CAD) and computer-aided manufacturing (CAM), the traditional carpentry joints have yet again become relevant and desirable. Modern digital fabrication devices allow accurate milling of complex geometries, which have the potential to substitute the time- and labour intensive manual work. Automated production of carpentry joints can also contribute to higher production precision, simplified assembly and non-destructive disassembly. In addition, single-material structures appear more consistent, contributing to the aesthetic value.

Another reason for the raised interest in traditional timber joinery is the increased desire to reduce embodied carbon. By taking advantage of the properties of wood, it is possible to produce a single-material structure without any external metal fasteners. Combined with the emergence of CAM, it is possible to revitalise the timber connections and automate the production of each unique connection.

This thesis aims to investigate and create a seamless workflow where carpentry joints are designed, analysed, and fabricated with available software and tools. Although the emergence of robotics is a fact, there is still a lack of software to automatically generate the curves for robotic milling, known as toolpaths. Thus, a toolpath algorithm has been developed to answer this shortcoming as part of the workflow. The toolpath was created in the parametric environment Grasshopper. A test specimen was produced entirely using a six-axis robotic arm to troubleshoot and develop the algorithm. The lack of standardised analytical methods for carpentry joints was solved by including a finite element analysis to verify the capacity using Ansys. This software was able to load external geometry and define anisotropic material models before generating solid meshes and performing the structural analysis.

Finally, the completed workflow was tested on a case study of a king post truss. This case study was successful and verified the functionality of the established workflow and highlighted the possibilities for further development.