Enabling ubiquitous personal fabrication: low-effort and expressive in-situ interactions using extended reality

Abstract

Personal computing has transformed society by providing industry-grade computing capabilities to end-users: complex, expensive, and expert-only mainframes turned into ubiquitous devices essential to a vast user audience. In the context of Personal Fabrication, users recently gained access to industry-level tools and processes (e.g., 3D printing) to design and manufacture various physical artifacts. While computing evolved its interaction paradigms towards more approachable interfaces (i.e., from command lines to graphical user interfaces), Personal Fabrication still enforces a paradigm of ex-situ modeling, fabrication, and iteration until the user achieves a satisfying result. Devices like 3D printers or laser cutters are increasingly easy to use and affordable, yet designing for manufacturing remains a highly complex task: users have to tie together a multitude of disciplines, ranging from engineering over material science to design. Subsequently, Personal Fabrication presents a powerful opportunity, yet it predominantly remains employed by hobbyists and enthusiasts.

This thesis aims to resolve the tensions between potentially highly expressive fabrication (i.e., physical output) devices and the complex design tools (i.e., digital input) they demand—how do we reconcile low-effort interactions with a potentially unlimited physical output space? To answer this question, the thesis first presents a theoretical framework, which encompasses design tools for Personal Fabrication. These tools can be arranged in a process model that covers design, fabrication, and the use of the outcome. The framework focuses on the design step and classifies the effort and expressivity of design tools to formalize three main paradigms of physical artifact design: “modeling”, “remixing”, and “getting”. Most established design tools focus on the “modeling” paradigm, where users routinely re-design existing objects on their way to their finished design. This approach demands, often unnecessary, effort. Such design steps are also usually disconnected from the location of use (ex-situ). Users regularly conduct design steps on workstations like desktop computers to design objects for the physical world. This disconnect requires users to transfer requirements between design and usage contexts. The core of the thesis, therefore, focuses on a) partially or b) entirely omitting or c) fundamentally altering steps of modeling. These changes are enabled by relying on outsourced design effort and in-situ design tools to foster low-effort interactions. This approach manifests in the development and evaluation of several prototype systems that deliberately rethink the notion of design for Personal Fabrication.

Derived from these works, the thesis provides insights into the design of design tools for Personal Fabrication. By deliberately omitting or reconsidering workflow steps (e.g., 3D modeling), the presented prototype systems reduce the effort needed to design an artifact for manufacturing. This effort reduction is based on design principles contrasting established core paradigms (modeling) and towards in-situ workflows leveraging users' unique physical contexts. Specifically, instead of starting “from scratch”, users may remix existing models, tune parametric designs, or merely retrieve their desired artifacts. These approaches move processes in Personal Fabrication away from complex but powerful industrial CAD (computer-aided design) systems without constraining their relevant expressivity. Similarly, instead of relegating design processes to a separate workstation, users may conduct search, remix, and preview procedures in-situ at the location of use for the future artifact. In-situ interaction simplifies the transfer of requirements from the physical environment. The paradigms of remixing or getting, blended with in-situ interaction through extended reality, are the core pillars of the thesis.

The thesis concludes by reflecting on the broader vision of “Ubiquitous Personal Fabrication”, where the notion of digitally-supported craft and manufacturing is woven into everyday life, akin to digital content creation enabled through ubiquitous computing. In this context, we may see a future where anyone can create highly personalized artifacts that suit their unique contextual, aesthetic, and functional needs without precisely defining every single detail of the artifact, empowering a broad range of users, regardless of their motivation and proficiency, to engage in design activities.

Persönliche Computertechnologie hat die Gesellschaft durch die Bereitstellung von industriellen Rechenkapazitäten an Endnutzer transformiert: komplexe, teure und nur von Experten bedienbare Großrechner wurden zu allgegenwärtigen Geräten, die inzwischen für ein breites Publikum unerlässlich sind. Im Kontext der persönlichen Fertigung („Personal Fabrication“) erlangten Nutzer vor Kurzem ebenfalls Zugang zu Werkzeugen und Prozessen auf Industrie-Niveau (z.B. 3D-Druck), um verschiedene physische Objekte zu entwerfen und herzustellen. Während sich die Computertechnik als Solche in Richtung zugänglicherer Interaktionsparadigmen entwickelte (d.h. von Befehlszeilen zu grafischen Benutzeroberflächen), erzwingt die persönliche Fertigung weiterhin ein Paradigma der ex-situ Modellierung, Fertigung und Iteration, bis ein zufriedenstellendes Ergebnis erreicht wird. Geräte wie beispielsweise 3D-Drucker oder Laserschneider sind zunehmend einfach zu verwenden und ebenfalls erschwinglich geworden, doch das digitale Entwerfen von herstellbaren Objekten bleibt eine hochkomplexe Aufgabe: Endnutzer müssen eine Vielzahl von Disziplinen, vom Ingenieurwesen über Materialwissenschaften bis hin zu Design, in ihrer Tätigkeit vereinen. Daraus folgt, dass persönliche Fertigung vielfältige Möglichkeiten offenbart, jedoch überwiegend von Hobby-Bastlern und Technologie-Enthusiasten genutzt wird.

Diese Dissertation zielt darauf ab, die konzeptionellen Widersprüche zwischen hochgradig leistungsstarken Fertigungsgeräten (d.h. physischer Output) und den komplexen Designwerkzeugen (d.h. digitaler Input), die sie erfordern, zu lösen. Wie können wir simple Interaktionen die einen geringen Aufwand erfordern, mit einem potenziell unbegrenzten physischen Ausgaberaum in Einklang bringen? Um diese Frage zu beantworten, präsentiert die vorliegende Dissertation zunächst ein theoretisches Framework, das Entwurfswerkzeuge für die persönliche Fertigung nach dem Prozessmodell von Entwurf, über Fertigung, bis zur Nutzung des Ergebnisses umfasst. Speziell klassifiziert das Framework den benötigten Aufwand und die erreichbare Expressivität von Systemen und formalisiert drei Hauptparadigmen des Designs physischer Artefakte: „Modellieren“, „Re-Mixen“ und „Erhalten“. Die meisten etablierten Designwerkzeuge konzentrieren sich auf das Paradigma des „Modellierens“, bei dem Nutzer regelmäßig bereits existierende Objekte von neu auf gestalten müssen. Dies erfordert oft unnötigen Aufwand. Derartige digitale Designschritte sind oft vom physischen Verwendungsort getrennt (ex-situ) und finden beispielsweise an Arbeitsplätzen wie Desktop-Computern statt. Dies erfordert es von Nutzern, Anforderungen korrekt zwischen Entwurfs- und Nutzungskontexten zu übertragen. Der Kern dieser Dissertation konzentriert sich daher darauf, Modellierungsschritte entweder a) teilweise, oder b) vollständig auszulassen oder sie c) grundlegend zu verändern. Dies geschieht durch die Wiederverwendung existierender Designs und von in-situ Entwurfswerkzeugen, um Interaktionen mit geringerem Aufwand zu ermöglichen. Dieser Ansatz manifestiert sich in der Entwicklung und Evaluation mehrerer Prototypsysteme, die die etablierte Vorstellung davon, wie Design für Personal Fabrication aussehen kann, bewusst überdenken.

Basierend auf diesen Arbeiten, gewährt die Dissertation Einblicke in die Gestaltung von Entwurfswerkzeugen für Personal Fabrication. Durch das bewusste Auslassen oder Neugestalten von Arbeitsschritten (z.B. 3D-Modellierung) reduzieren die vorgestellten Prototypsysteme den Aufwand, der nötig ist, um ein herstellbares Artefakt zu entwerfen. Diese Aufwandsreduktion basiert auf Designprinzipien, die von etablierten Kernparadigmen (z.B. Modellieren) abweichen und auf in-situ Design setzen, die den einzigartigen physischen Kontext der Nutzer wirksam einsetzen. Anstatt „von Grund auf“ zu beginnen, können Nutzer existierende Modelle re-mixen, parametrische Entwürfe anpassen oder ihre gewünschten Objekte suchen und abrufen. Diese Ansätze verlagern Prozesse in der persönlichen Fertigung weg von komplexen, aber leistungsfähigen industriellen CAD (computerunterstützten Design) Systemen, ohne unmittelbar deren Expressivität einzuschränken. Ebenso soll ermöglicht werden, dass statt Designprozesse an einem separaten Arbeitsplatz durchgeführt werden, Nutzer Such-, Remix- und Vorschauschritte, am Nutzungsort des zukünftigen Objekts durchführen (in-situ). In-situ Interaktionen vereinfachen die Übertragung von Anforderungen aus der physischen Umgebung in die Designumgebung. Die Paradigmen des „Re-Mixens“ oder „Erhaltens“, kombiniert mit in-situ Interaktionen durch erweiterte Realität (Extended Reality), stellen die Kernsäulen dieser Dissertation dar.

Die Dissertation schließt mit einer Reflexion über die Vision der „allgegenwärtigen Personal Fabrication“, in welcher das digital unterstützte Handwerk und Herstellung in das tägliche Leben eingewoben werden, ähnlich der etablierten digitalen Inhaltserstellung („Content Creation“) durch allgegenwärtige Computertechnik. In diesem Kontext ergibt sich eine Zukunft, in der jeder hochgradig personalisierte Objekte erschaffen kann, die den einzigartigen kontextuellen, ästhetischen und funktionalen Bedürfnissen jeder Person entsprechen können. Die jeweilige Person erreicht dies ohne jedes einzelne Detail des Objekts genau festzulegen, was ein breites Spektrum von Nutzern, unabhängig von ihrer Motivation und Kompetenz, zur Teilnahme an Designaktivitäten ermächtigt.