Ekstrüzyona dayalı yapımda yeniden yapılandırma süreçleri için kavramsal bir çerçeve
A conceptual framework for the reconfiguration processes in extrusion-based making
Yazar: HÜLYA ORAL KARAKOÇ
Danışman: PROF. DR. MERYEM BİRGÜL ÇOLAKOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Bilişim Ana Bilim Dalı / Mimari Tasarımda Bilişim Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Mimarlık = Architecture

Özet:
Üretim yöntemleri ve süreçleri teknolojik gelişmelere paralel olarak zaman içerisinde farklılaşmıştır. Öte yandan, hesaplamalı tasarım yaklaşımındaki paradigma değişimleri, zanaatın bu yönüne olan ilgiyi arttırmış ve bu alandaki dönüşüme zemin hazırlamıştır. Bununla birlikte, mevcut kaynakları kullanarak tasarlama, yapma, dönüştürme ve onarım gibi zanaata özgü kavramlar önem kazanmış; bireysel yapım süreçlerini kapsayan üretici kültürünün yaygınlaşması ile yapıma dair bilgi, sanal üretici platformları aracığıyla paylaşılmaya başlamıştır. Bu gelişmeler ve dönüşümler, insanın el ile yapma ve keşfetme becerisinin sayısal teknolojilerle birlikteliğinden oluşan dijital zanaatın ortaya çıkmasına neden olmuştur. Hesaplamalı tasarım düşüncesinin bir yansıması olarak mevcut üretim biçimleri, dijital ortama aktarılarak sayısal makinaların işleyeceği ve etkileşim kuracağı hale getirilmiştir. Bu dijitalleştirme sürecinde, el ile ve sezgisel olarak gerçekleştirilen yapım süreçlerindeki örtük bilginin açığa çıkarılmasında yapım gramerleri gibi kural tabanlı yöntemlerin kullanımı giderek önem kazanmaktadır.
Biçim gramerlerinin bir alt başlığı olarak nitelendirilen yapım gramerleri, parametre ve kurallardan oluşan işlem dizileri ile yapım süreçlerini tanımlamak ve gramer kurallarının malzemeyi biçimlendirmek için uygulanması ile çözüm uzayını genişletmek için kullanılmaktadırlar. İncelenen çalışmalarda yapım gramerlerinin dijital fabrikasyon araçlarına bağlı yapım süreçlerinde veya ön tasarım aşamasında malzeme ile birlikte keşif süreçlerinde kullanıldığı belirlenmiştir. Bu yöntemin manuel araçlara bağlı yapım süreçlerinin çözümlenmesinde deneysel yöntemle birlikte kullanılması ile özellikle el ile yapımdaki riskin azaltılması, yapımın planlı ve kontrollü hale getirilmesi, mevcut araçların özelleştirilmesi söz konusu olabilmektedir. 
Mevcut araçların ve yapım yöntemlerinin özelleştirilmesi, dijital fabrikasyon araçlarına erişimin ve müdahale imkanının sınırlı olması gibi sebepler bu fabrikasyon süreçlerine alternatif olabilecek yaklaşımlar geliştirilmesine ön ayak olmaktadır. Dijital fabrikasyon araçlarının kısıtları arasında üretici kültürü kapsamında değerlendirilen fabrikasyon laboratuvarlarını kullanan katılımcıların sınırlı olması, bu araçların kullanımları için dijital okuryazarlığa sahip olma gerekliliği ve genellikle özelleşmiş ve kısıtlı tezgâh gövdesine sahip, yani tek işlevli olmaları sayılabilir. Aynı zamanda, bu araçların bileşenlerine ve arayüzlerine olan erişim, araçlarla etkileşim kurma ve araçları manipüle etme açısından zanaat araçlarıyla kıyaslandığında sınırlı olabilmektedir. 
Dijital fabrikasyon araçlarının görece yüksek esnekliği ile, rijit araçların sabit ve değiştirilemez doğası arasında yeniden-yapılandırılabilir araç ve sistemler fikri ortaya atılmıştır. Erken tasarım aşamasında ve prototiplemede, 1:1 ölçekli birim eleman üretiminde kullanılmak üzere hareketli elemanlara sahip yeniden yapılandırılabilir araçlar geliştirilmektedir. Mevcut araç bileşenlerinin yapılandırılmasında, birlikte eşleştirilebilir (kombinatoriyal) mantıktan ve kurala dayalı ayarlanabilir ve hareketli mekanik bileşenlerden faydalanan bu araçlar, genellikle mevcut yapım tekniklerinden türetilmişlerdir. İncelenen çalışmalara dayanarak, yeniden-yapılandırılabilir ekstrüzyona dayalı araçlar, geliştirmeye açık bir alan olarak karşımıza çıkmaktadır. 
Bu tezde, hesaplamalı düşüncenin yeniden-yapılandırılabilir araç geliştirme yöntemleriyle bütünleştirilerek el ile yapma bilgisinin çözümlenmesinde, mevcut araca bağlı tasarım uzayının genişletilmesinde ve üretilen biçimlerin doğruluk açısından değerlendirilmesinde kullanılmak üzere alternatif bir yaklaşım geliştirilmesi amaçlanmıştır. Bu yaklaşımın vaka çalışması olarak eklemeli bir üretim biçimi olan ekstrüzyondaki; girdi, süreç ve çıktı aşamalarının seçilen manuel ekstrüzyon aracı (EA) üzerinden incelenmesi hedeflenmiştir. İki aşamalı olarak kurgulanan süreçte, araç bileşenlerinin birleştirilmesi, değiştirilmesi ve hareketli hale getirilmesi yoluyla Yeniden-yapılandırılabilir Ekstrüzyon Aracı (YEA), manuel yapımın çözümlenmesi ile Ekstrüzyona dayalı Yapım Grameri (EdYG) geliştirilmiştir. El ile gerçekleştirilen deneyler ile farklı bileşen ve fonksiyon eşleşmelerine bağlı yapım senaryolarını keşfetmek ve araca bağlı yapım grameri ile kontrollü bir üretimi, manuel ve hibrit senaryoda belirli bir doğrulukta gerçekleştirebilmek hedeflenmiştir. Doğruluk değerini belirlemek amacıyla geliştirilmiş olan ölçüm düzeneğinin küçük ölçekli biçimlerin dijitalleştirilmesinde kullanılması ve bu sayede ölçümün hassasiyet yüzdesinin arttırılması amaçlanmıştır. 
Önerilen iki aşamalı sürecin değerlendirilmesinde, fotogrametri yöntemi ve değerlendirme için özel olarak yazılan ve yapım gramerinin dijital modeline dayanan görsel kod ve betikler kullanılmıştır. Bu yöntemle elde edilen veriler ile EdYG ve YEA, küçük ölçekli üretimde yapım bilgisini çözümleme, çözüm uzayını genişletme ve belirli bir doğrulukta biçim üretme açısından; gramer kuralları, kalıp biçimleri, üretim süresi ve yeniden-yapılandırma ölçütleri bağlamında değerlendirilmiştir. Değerlendirme sürecinin ilk aşamasında, EA ve YEA ile belirli kural setleri kullanılarak üretilen biçimler karşılaştırılmıştır. Modülerlik, özelleştirilebilme, ölçeklenebilme, bütünleştirilebilme, değiştirilebilme, teşhis edilebilme, farklı malzemeler kullanabilme, hibrit kontrole sahip ve müdahaleye açık olma ile çeşitlilik, doğruluk, üretim süresi ölçütleri yeniden-yapılandırılabilir bir aracın tasarım ve değerlendirme ilkeleri olarak tanımlanmıştır. Değerlendirme sürecinin ikinci aşamasında, yine aynı yöntem kullanılarak fiziksel ve dijital ortamda belirli kural setleri ile üretilen biçimler karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırma ile, kalıp biçimlerine, kural setlerine, malzemenin özelliklerine ve üreticinin kabiliyetine bağlı veriler elde edilmiş; yapım grameri kuralları ve üretilen biçimler arasındaki korelasyon ortaya çıkarılarak yapım gramerinin işlerliği test edilmiştir. Bu sayede, geliştirilen fiziksel ve dijital aracın tasarım ve yapım süreçlerinde, deney ve prototipleme aracı olarak kullanımına ve bu süreci başka zanaat araçlarına uygulayabilmesi için tasarımcının dijital okuryazarlık açısından kazanması gereken becerilere dair sonuçlara ulaşılmıştır.  
Tüm bu nicel ve nitel değerlendirmelerin sonucunda, geliştirilen fiziksel ve dijital aracın doğruluk açısından geliştirilmesi gerektiği belirlense de yapım süreçlerinin deneyim ve ölçme yoluyla araştırılmasında ve değerlendirilmesinde, açık kaynaklı ve yeniden-yapılandırılabilen bir hesaplama aracı olarak kullanılabileceği tespit edilmiştir. Mevcut aracın özelleştirilmesine dayanan iki aşamalı süreci tasarımcının uygulayabilmesi için sahip olması gereken beceriler; deneyim yoluyla zaman içerinden kazanılan örtük bilgi, temel mekanik ve elektronik bilgisi, ölçümleme için gereken kodlama bilgisi, denemelerin dijitale aktarılması için fotogrametri bilgisi ile yapım sürecinin analizinde kullanılan kural tabanlı tasarım bilgisi olarak belirlenmiştir. El ile yapımın dijitalleştirilmesi; yapım sürecinin tüm yönleriyle analiz edilmesine, araç ile gerçekleştirilen tüm denemelerin kaydedilmesine ve sanal üretici platformları üzerinden paylaşılarak çoğaltılmasına ve geliştirilmesine katkı sağlayacaktır. 
Tez beş ana başlıktan oluşmaktadır. Giriş bölümünde, problem tanımı, tezin amacı ve kapsamı, tezde izlenen yöntem ile tezin özgün değeri ve yaygın etkisi anlatılacaktır.
İkinci bölümde, dijital zanaatın ortaya çıkışına zemin hazırlayan tasarım ve üretim paradigmalarındaki değişim, endüstri ve tasarım perspektifinden ele alınmıştır. Yapım gramerlerinin kullanım alanları ve yapımın çözümlenmesinde kullanılma potansiyelleri kural tabanlı üretim yaklaşımları bağlamında tartışılmıştır. Buna ek olarak, dijital zanaatın çeşitli sanal ortamlar üzerinden paylaşılmasının tasarım yaklaşımlarını ve araçlarını nasıl dönüştürdüğü açıklanmıştır. Aynı zamanda, mimarlık ve inşaat alanında birim eleman üretmek için geliştirilen esnek ve yeniden-yapılandırılabilir araçların özellikleri kapsamlı bir literatür araştırmasıyla ortaya konarak araştırmaya açık alanlar belirtilmiştir. 
Üçüncü ve dördüncü bölüm, geliştirilen yöntemin vaka çalışması olarak Yeniden-yapılandırılabilir Ekstrüzyon Aracı (YEA) ve Ekstrüzyona dayalı Yapım Gramerinin (EdYG) önerilen tasarım ilkeleri doğrultusunda geliştirilmesi ve değerlendirilmesini içermektedir. Üçüncü bölümde, YEA'nın geliştirilme adımları açıklanarak araç ile gerçekleştirilen denemeler ortaya konmuştur. EA ve YEA ile üretilen biçimlerin fotogrametri ve yazılan görsel kod aracılığıyla gerçekleştirilen değerlendirme süreci açıklanmıştır. Kural setleri aracılığıyla üretilen biçimlerin karşılaştırılması ile farklı kalıplar, kural setleri ve üretim süresi açısından elde edilen veriler analiz edilerek geliştirilen araç, yeniden-yapılandırma derecesi, prototipleme ve kurulum sürümleri açısından değerlendirilmiştir. Dördüncü bölümde ise, manuel ekstrüzyon aracının bileşenlerine yönelik, farklı malzemeler ile gerçekleştirilmiş denemeler açıklanarak, araca ait yeniden-yapılandırma şeması ortaya konmuştur. Dijital ve fiziksel ortam arasındaki benzerlik ve farklılıkları ölçmek için belirli kural setleri ile üretilen biçimler; farklı kalıplar, kural setleri ve üretim süresi açısından değerlendirilmiştir. 
Tezin sonuç ve tartışma bölümü beş alt başlık altında incelenmiştir. Bu bölümde, değerlendirme yöntemi, elde edilen sonuçlar ışığında tartışmaya açılmış ve geliştirilen iki aşamalı yöntemin dijital zanaat açısından potansiyelleri ve kısıtları ele alınmıştır. Önerilen yöntemi herhangi bir üreticinin tam olarak tatbik edebilmesi için dijital okuryazarlık açısından sahip olması gereken beceriler ortaya konmuştur. Aynı zamanda, YEA ve EdYG'nin potansiyelleri ve kısıtlarına dayanarak, yeniden-yapılandırılabilir fiziksel ve dijital araç geliştirme açısından gelecek öngörülerinde bulunulmuştur.

Abstract:
Production methods and techniques have changed over time in parallel with the developing technology. Due to the shift from mass production to mass customization triggered by computational design paradigms, the needs of the customer become crucial which further evokes a renewed interest in the crafts. Craft-specific concepts such as designing, making, transforming, and repairing have gained importance to produce context-specific designs by using available resources. Moreover, the spread of the maker culture, which includes individual making processes, tacit knowledge gained through making has begun to be shared through virtual maker platforms by defining it explicitly. As a result of these developments and shifts, digital craft has emerged as a new area of research by defining a hybrid ground consisting of computational thinking and human factor to providing variability as well as experimentation with materials and tools that lead to innovation. Using computational design thinking approaches, existing making processes have been transferred to the digital medium and made to be processed and interacted by digital machines. In this digitization process, rule-based methods have become important in externalizing the tacit knowledge generated through the manual and intuitive making processes. Making grammars as a subset of shape grammars are used to define the making procedures through parameters and rules. Thus, design space is explored by manipulation of the parameters and a combination of rules to generate variable designs in a controlled way. In the studies examined, it has been determined that either the making grammars are used in examining the processes of digital fabrication tools or in material exploration at the preliminary design stage in crafts. By using this method together with the experimental method in the analysis of making processes with manual tools, it is possible to reduce the risk in making, to plan and control the process, and to customize the existing tools by extending the tool affordances.
The customization of existing tools and making processes can lead to the development of alternative approaches to digital fabrication processes of which have limited access and usage possibilities. The constraints of digital fabrication tools are the limited user profiles in fabrication laboratories within the scope of maker culture, the necessity of having digital literacy for the use of these tools, and the fact that they generally have a specialized limited bed size, that is, they are single-functional. At the same time, access to components and interfaces of these tools can be limited compared to craft tools. Therefore, the discovery processes based on hands-on making cannot be realized in the file-to-factory production with digital fabrication tools. 
In between the relatively high flexibility of digital fabrication tools and the fixed nature of rigid tools, the idea of reconfigurable tools and systems has been put forward. Considering the shortcomings of digital fabrication tools, reconfigurable tools with manually or automatically controllable moving components are being developed for use in the early design phase, rapid prototyping, and 1:1 scale unit production. Utilizing combinatorial logic and rule-based adjustable and movable mechanical components, these tools are often derived from existing making techniques. In the literature, the reconfiguration of extrusion-based tools is a promising area of research to integrate low-cost reconfigurable tool strategies to transform rigid craft tools into controlled and parametric tools. As a result of this transformation, the risk in repetitive making related to the inadequate control systems in the crafts can be reduced. Moreover, the industry has a demand to initiate the research and development processes in production by craft-driven innovation through collaborations with craftsmen and designers. For this reason, defining the tacit knowledge in the craft explicitly is also of great importance in terms of craft-manufacturing hybridization, where it is aimed to realize craft-driven innovation. 
It is aimed to develop an alternative approach by integrating computational thinking with reconfigurable tool development methods to be used in the analysis of hands-on knowledge, expanding the existing tool-based design space, and evaluating the produced forms in terms of accuracy. As a case study of this approach, it is examined the input, process, and output stages in extrusion, which is an additive manufacturing method, through the selected manual and hand-held extrusion tool (EA). In the two-stage process, the Reconfigurable Extrusion Tool (YEA) was developed by combining, modifying, and mobilizing the tool components resulting in variable making scenarios, and the Extrusion-based Making Grammar (EdYG) was developed by decoding the manual making process into the parameters and rules. It is aimed to discover different component-function relations with hands-on experimentation and to realize a controlled making process with a certain accuracy in manual and hybrid scenarios with extrusion-based making grammar. It is planned to use the proposed measuring setup to determine the accuracy rate in the digitization of small-scale forms and thus to increase the precision of the measurement.
In the evaluation of the proposed two-stage process, the photogrammetry method and visual codes and scripts written specifically for the evaluation and based on the digital model of the making grammar were used. Using the data obtained by this method, the EdYG and YEA are evaluated according to grammatical rules, forms, production time, and reconfiguration criteria whether EdYG and YEA can be used to analyze tacit knowledge in small-scale production, expand the solution space and produce forms with a certain accuracy. In the evaluation of the first stage of the process, the forms produced with rule sets were analyzed to compare the EA and YEA. Modularity, customization, scalability, integrability, convertibility, diagnosability, use of different materials, hybrid control and openness to intervention, as well as variability, accuracy, production time criteria have been defined as the design and evaluation criteria of a reconfigurable tool. For the evaluation of the second stage of the process, the forms produced with certain rule sets in the physical and digital medium were compared using the same method. In this comparison, the functionality of the making grammar was tested by revealing the correlation between the rule sets and the corresponding physical forms via the data related to the die (mold) forms, rule sets, material, and the ability of the maker. In this way, results have been obtained regarding the use of the developed physical and digital tool in the design and making processes as an experimental and prototyping tool and the skills that the designer should acquire in terms of digital literacy to apply this process for the customization of other craft tools.
As a result of all these quantitative and qualitative evaluations, it has been determined that although the developed physical and digital tool should be improved in terms of accuracy, it can be used as an open-source and reconfigurable computing tool in the experimentation and evaluation of the making processes of craft tools. The skills that the designer must have to implement the two-step process based on the customization of the existing tool; tacit knowledge gained over time through experience, basic mechanics and electronics knowledge, coding knowledge required for measurement, photogrammetry knowledge for transferring the physical outputs to the digital medium, and rule-based design knowledge used in the analysis of the making process. Digitization of manual making will contribute to the analysis of all aspects of the making process, the recording of all experiments with the tool, and their reproduction and development by sharing them over virtual maker platforms.
The thesis consists of five main chapters. The problem area, the aim and scope of the thesis, research objectives and methodology, significance, and outline of the thesis will be covered in the introduction.
In the second chapter, the change in design and production paradigms that paved the way for the emergence of digital craft is discussed from the perspective of industry and design. Within the scope of rule-based design, the use of making grammars and their potentials and limitations in the analysis of the making processes are discussed. Next, it is explained how digital craft has transformed the medium and tools with the emergence of new maker platforms to share tacit knowledge. On the other hand, the properties of flexible and reconfigurable tools developed to produce units in the field of architecture and construction were revealed through a comprehensive literature review, and the areas open to research were specified.
The third and fourth chapters include the development and evaluation of the two-stage method in line with the proposed design principles of the Reconfigurable Extrusion Tool (YEA) and Extrusion-based Making Grammar (EdYG) as a case study. In the third chapter, the development steps of the YEA are explained, and the experiments carried out with the tool and polymer clay are presented. The forms produced with the EA and YEA are evaluated by using photogrammetry and written visual code in which the physical forms are transferred to the digital medium and compared with each other according to total surface displacement, bending angle, and 3D-shift values. The results were analyzed in terms of different die (mold) forms, rule sets, and production time, and the degree of tool reconfiguration was evaluated in terms of prototyping and production setups. In the fourth chapter, customized experiments for the components of the manual clay extruder are explained and the reconfiguration scheme of the tool is presented. Forms produced with specific rule sets are analyzed to measure similarities and differences between digital and physical mediums, so that different die forms were evaluated in terms of rule sets and production time.
The conclusion and discussion chapter of the thesis has been structured under five sub-headings in relation to the research questions. In this section, the evaluation method is discussed considering the results obtained. Moreover, the potentials and limitations of the developed two-stage method to transform craft tools are put forward in terms of digital craft. For any maker to fully implement the proposed method, the skills that must be possessed in terms of digital literacy have been revealed. At the same time, future projections for reconfigurable physical and digital tool customization and development are explained based on the potentials and constraints of the YEA and EdYG. YEA is a tool that can be used in tool-based form-finding and solution space exploration that allows experimentation and evaluation. The system design and digital model of the YEA can be used as measurement tools that can be used to decode the intuitive and haptic sense-based making process. Therefore, mechanizing and digitizing a manual tool should be considered together which are realized in both physical and digital mediums. The developed grammar was found to be useful in creating the cycle of making, measuring-comparing, and remaking accordingly, which is carried out in both physical and digital mediums. This cycle can be repeated until the targeted criteria are reached. 
Within the scope of this thesis, and transformation of medium and tools in manual making processes and the possibility of innovation by deriving from existing tools and methods, as in the gradual development in craft practice, are focused on. By making use of computational design methods, it is possible to make more sustainable designs without losing the opportunity to develop novel systems for more local and small production enterprises. Therefore, with the developed digital design and physical making process, the potential of computational design thinking and tools to transform the knowledge of local making has been revealed as a final remark.