Utilizarea sticlei subțiri promite să îndeplinească diverse sarcini în industria construcțiilor. Pe lângă beneficiile ecologice ale utilizării mai eficiente a resurselor, arhitecții pot folosi sticlă subțire pentru a obține noi grade de libertate de proiectare. Pe baza teoriei sandwich, sticla subțire flexibilă poate fi combinată cu un miez polimeric cu celule deschise imprimat 3D pentru a forma foarte rigid și ușor.
elemente compozite. Acest articol prezintă o încercare exploratorie de fabricare digitală a panourilor subțiri de fațadă din sticlă compozită folosind roboți industriali. Acesta explică conceptul de digitalizare a fluxurilor de lucru de la fabrică la fabrică, inclusiv proiectarea asistată de computer (CAD), inginerie (CAE) și producție (CAM). Studiul demonstrează un proces de proiectare parametrică care permite integrarea perfectă a instrumentelor de analiză digitală.
În plus, acest proces demonstrează potențialul și provocările producției digitale de panouri subțiri din sticlă compozită. Unele dintre etapele de fabricație efectuate de un braț robot industrial, cum ar fi fabricarea aditivă în format mare, prelucrarea suprafețelor, procesele de lipire și asamblare, sunt explicate aici. În cele din urmă, pentru prima dată, s-a obținut o înțelegere profundă a proprietăților mecanice ale panourilor compozite prin studii experimentale și numerice și prin evaluarea proprietăților mecanice ale panourilor compozite sub încărcare la suprafață. Conceptul general de proiectare digitală și flux de lucru de fabricație, precum și rezultatele studiilor experimentale, oferă o bază pentru integrarea ulterioară a metodelor de definire și analiză a formei, precum și pentru efectuarea de studii mecanice extinse în studiile viitoare.
Metodele de fabricație digitală ne permit să îmbunătățim producția prin transformarea metodelor tradiționale și oferind noi posibilități de proiectare [1]. Metodele tradiționale de construcție tind să utilizeze excesiv materialele în ceea ce privește costul, geometria de bază și siguranța. Prin mutarea construcției în fabrici, folosind prefabricarea modulară și robotica pentru a implementa noi metode de proiectare, materialele pot fi utilizate eficient, fără a compromite siguranța. Fabricația digitală ne permite să ne extindem imaginația de design pentru a crea forme geometrice mai diverse, mai eficiente și mai ambițioase. În timp ce procesele de proiectare și calcul au fost în mare parte digitizate, producția și asamblarea sunt încă în mare parte realizate manual în moduri tradiționale. Pentru a face față structurilor de formă liberă din ce în ce mai complexe, procesele de producție digitală devin din ce în ce mai importante. Dorința de libertate și flexibilitate în design, mai ales când vine vorba de fațade, crește constant. Pe lângă efectul vizual, fațadele cu formă liberă vă permit și să creați structuri mai eficiente, de exemplu, prin utilizarea efectelor membranei [2]. În plus, marele potențial al proceselor de fabricație digitală constă în eficiența acestora și în posibilitatea de optimizare a designului.
Acest articol explorează modul în care tehnologia digitală poate fi utilizată pentru a proiecta și fabrica un panou de fațadă compozit inovator, format dintr-un miez de polimer fabricat aditiv și panouri exterioare din sticlă subțire lipite. Pe lângă noile posibilități arhitecturale asociate cu utilizarea sticlei subțiri, criteriile de mediu și economice au fost, de asemenea, motivații importante pentru utilizarea mai puțin material pentru a construi anvelopa clădirii. Odată cu schimbările climatice, deficitul de resurse și prețurile în creștere ale energiei în viitor, sticla trebuie folosită mai inteligent. Utilizarea sticlei subțiri de mai puțin de 2 mm grosime din industria electronică face fațada ușoară și reduce utilizarea de materii prime.
Datorită flexibilității ridicate a sticlei subțiri, deschide noi posibilități pentru aplicații arhitecturale și, în același timp, ridică noi provocări inginerești [3,4,5,6]. În timp ce implementarea actuală a proiectelor de fațadă care utilizează sticlă subțire este limitată, sticla subțire este din ce în ce mai utilizată în studiile de inginerie civilă și arhitectură. Datorită capacității mari a sticlei subțiri la deformare elastică, utilizarea sa în fațade necesită soluții structurale armate [7]. Pe lângă exploatarea efectului de membrană datorită geometriei curbe [8], momentul de inerție poate fi crescut și printr-o structură multistrat constând dintr-un miez polimeric și o foaie exterioară de sticlă subțire lipită. Această abordare s-a dovedit promițătoare datorită utilizării unui miez dur din policarbonat transparent, care este mai puțin dens decât sticla. Pe lângă acțiunea mecanică pozitivă, au fost îndeplinite criterii suplimentare de siguranță [9].
Abordarea din studiul următor se bazează pe același concept, dar folosind un miez translucid cu pori deschisi fabricat aditiv. Aceasta garantează un grad mai mare de libertate geometrică și posibilități de proiectare, precum și integrarea funcțiilor fizice ale clădirii [10]. Astfel de panouri compozite s-au dovedit deosebit de eficiente în testele mecanice [11] și promit să reducă cantitatea de sticlă folosită cu până la 80%. Acest lucru nu numai că va reduce resursele necesare, ci și va reduce semnificativ greutatea panourilor, crescând astfel eficiența substructurii. Dar noile forme de construcție necesită noi forme de producție. Structurile eficiente necesită procese de fabricație eficiente. Designul digital contribuie la fabricarea digitală. Acest articol continuă cercetările anterioare ale autorului prin prezentarea unui studiu al procesului de fabricație digitală a panourilor compozite subțiri de sticlă pentru roboții industriali. Accentul este pus pe digitizarea fluxului de lucru de la fișierul la fabrică al primelor prototipuri de format mare pentru a crește automatizarea procesului de fabricație.
Panoul compozit (Figura 1) constă din două suprapuneri subțiri de sticlă înfășurate în jurul unui miez de polimer AM. Cele două părți sunt legate cu lipici. Scopul acestui proiect este de a distribui sarcina pe întreaga secțiune cât mai eficient posibil. Momentele de încovoiere creează solicitări normale în carcasă. Forțele laterale provoacă tensiuni de forfecare în miez și îmbinări adezive.
Stratul exterior al structurii sandwich este realizat din sticlă subțire. În principiu, se va folosi sticlă de silicat sodo-calcic. Cu o grosime tinta < 2 mm, procesul de revenire termica atinge limita tehnologica actuala. Sticla de aluminosilicat întărită chimic poate fi considerată deosebit de potrivită dacă este necesară o rezistență mai mare datorită designului (de exemplu, panouri pliate la rece) sau utilizării [12]. Funcțiile de transmisie a luminii și de protecție a mediului vor fi completate de proprietăți mecanice bune, cum ar fi o bună rezistență la zgârieturi și un modul Young relativ ridicat în comparație cu alte materiale utilizate în compozite. Datorită dimensiunii limitate disponibile pentru sticla subțire călită chimic, panouri din sticlă soda-calcică de 3 mm grosime au fost folosite pentru a crea primul prototip la scară largă.
Structura de susținere este considerată ca o parte modelată a panoului compozit. Aproape toate atributele sunt afectate de acesta. Datorită metodei de fabricație aditivă, este și centrul procesului de fabricație digitală. Materialele termoplastice sunt prelucrate prin fuziune. Acest lucru face posibilă utilizarea unui număr mare de polimeri diferiți pentru aplicații specifice. Topologia elementelor principale poate fi proiectată cu un accent diferit în funcție de funcția lor. În acest scop, designul formei poate fi împărțit în următoarele patru categorii de design: design structural, design funcțional, design estetic și design de producție. Fiecare categorie poate avea scopuri diferite, ceea ce poate duce la topologii diferite.
În timpul studiului preliminar, unele dintre proiectele principale au fost testate pentru adecvarea proiectării lor [11]. Din punct de vedere mecanic, suprafața miezului minim cu trei perioade a giroscopului este deosebit de eficientă. Aceasta oferă o rezistență mecanică ridicată la încovoiere la un consum de material relativ scăzut. Pe lângă structurile de bază celulare reproduse în regiunile de suprafață, topologia poate fi generată și prin alte tehnici de găsire a formei. Generarea liniilor de tensiune este una dintre modalitățile posibile de optimizare a rigidității la cea mai mică greutate posibilă [13]. Cu toate acestea, structura de fagure, utilizată pe scară largă în construcțiile sandwich, a fost folosită ca punct de plecare pentru dezvoltarea liniei de producție. Această formă de bază duce la un progres rapid în producție, în special prin programarea ușoară a traseului sculei. Comportamentul său în panouri compozite a fost studiat pe larg [14, 15, 16], iar aspectul poate fi modificat în multe moduri prin parametrizare și poate fi folosit și pentru concepte inițiale de optimizare.
Există mulți polimeri termoplastici de luat în considerare atunci când alegeți un polimer, în funcție de procesul de extrudare utilizat. Studiile preliminare inițiale ale materialelor la scară mică au redus numărul de polimeri considerați adecvați pentru utilizare în fațade [11]. Policarbonatul (PC) este promițător datorită rezistenței sale la căldură, rezistenței UV și rigidității ridicate. Datorită investițiilor tehnice și financiare suplimentare necesare procesării policarbonatului, pentru producerea primelor prototipuri a fost folosit polietilen tereftalat modificat cu etilenglicol (PETG). Este deosebit de ușor de prelucrat la temperaturi relativ scăzute, cu un risc scăzut de stres termic și deformare a componentelor. Prototipul prezentat aici este realizat din PETG reciclat numit PIPG. Materialul a fost uscat preliminar la 60°C timp de cel puțin 4 ore și prelucrat în granule cu un conținut de fibră de sticlă de 20% [17].
Adezivul asigură o legătură puternică între structura miezului polimeric și capacul subțire de sticlă. Atunci când panourile compozite sunt supuse la sarcini de încovoiere, îmbinările adezive sunt supuse la forfecare. Prin urmare, este de preferat un adeziv mai dur și poate reduce deformarea. Adezivii transparenti ajută, de asemenea, la asigurarea unei calități vizuale ridicate atunci când sunt lipiți pe sticlă transparentă. Un alt factor important atunci când alegeți un adeziv este fabricabilitatea și integrarea în procesele de producție automatizate. Aici adezivii cu întărire UV cu timpi de întărire flexibili pot simplifica foarte mult poziționarea straturilor de acoperire. Pe baza unor teste preliminare, o serie de adezivi au fost testați pentru adecvarea lor pentru panourile compozite din sticlă subțire [18]. Acrilatul de întărire UV Loctite® AA 3345™ [19] s-a dovedit a fi deosebit de potrivit pentru următorul proces.
Pentru a profita de posibilitățile de fabricație aditivă și de flexibilitatea sticlei subțiri, întregul proces a fost proiectat să funcționeze digital și parametric. Grasshopper este folosit ca interfață de programare vizuală, evitând interfețele dintre diferite programe. Toate disciplinele (inginerie, inginerie și producție) se vor sprijini și se vor completa reciproc într-un singur fișier cu feedback direct din partea operatorului. În această etapă a studiului, fluxul de lucru este încă în curs de dezvoltare și urmează modelul prezentat în Figura 2. Diferitele obiective pot fi grupate în categorii în cadrul disciplinelor.
Deși producția de panouri sandwich din această lucrare a fost automatizată cu proiectarea și pregătirea fabricării centrate pe utilizator, integrarea și validarea instrumentelor de inginerie individuale nu a fost realizată pe deplin. Pe baza proiectării parametrice a geometriei fațadei, este posibilă proiectarea carcasei exterioare a clădirii la nivel macro (fațadă) și mezo (panouri de fațadă). În a doua etapă, bucla de feedback de inginerie își propune să evalueze siguranța și adecvarea, precum și viabilitatea fabricării peretelui cortină. În cele din urmă, panourile rezultate sunt gata pentru producția digitală. Programul prelucrează structura de bază dezvoltată în cod G care poate fi citit de mașină și o pregătește pentru fabricarea aditivă, post-procesarea subtractivă și lipirea sticlei.
Procesul de proiectare este luat în considerare la două niveluri diferite. Pe lângă faptul că forma macro a fațadelor afectează geometria fiecărui panou compozit, topologia miezului în sine poate fi proiectată și la nivel mezo. Atunci când se folosește un model de fațadă parametric, forma și aspectul pot fi influențate de exemplul de secțiuni de fațadă folosind glisoarele prezentate în Figura 3. Astfel, suprafața totală constă dintr-o suprafață scalabilă definită de utilizator care poate fi deformată folosind atractori de puncte și modificată prin precizând un grad minim şi maxim de deformare. Acest lucru oferă un grad ridicat de flexibilitate în proiectarea anvelopelor clădirii. Cu toate acestea, acest grad de libertate este limitat de constrângeri tehnice și de producție, care sunt apoi jucate de algoritmii din partea de inginerie.
Pe lângă înălțimea și lățimea întregii fațade, se determină împărțirea panourilor de fațadă. În ceea ce privește panourile individuale de fațadă, acestea pot fi definite mai precis la nivel mezo. Acest lucru afectează topologia structurii miezului în sine, precum și grosimea sticlei. Aceste două variabile, precum și dimensiunea panoului, au o relație importantă cu modelarea ingineriei mecanice. Proiectarea și dezvoltarea întregului nivel macro și mezo poate fi realizată în termeni de optimizare în cele patru categorii de structură, funcție, estetică și design de produs. Utilizatorii pot dezvolta aspectul general al anvelopei clădirii prin prioritizarea acestor zone.
Proiectul este susținut de partea de inginerie folosind o buclă de feedback. În acest scop, obiectivele și condițiile de limită sunt definite în categoria de optimizare prezentată în Fig. 2. Ele oferă coridoare fezabile din punct de vedere tehnic, solide din punct de vedere fizic și sigur de construit din punct de vedere ingineresc, ceea ce are un impact semnificativ asupra proiectării. Acesta este punctul de plecare pentru diverse instrumente care pot fi integrate direct în Grasshopper. În investigațiile ulterioare, proprietățile mecanice pot fi evaluate folosind analiza cu elemente finite (FEM) sau chiar calcule analitice.
În plus, studiile radiației solare, analiza liniei de vedere și modelarea duratei soarelui pot evalua impactul panourilor compozite asupra fizicii clădirilor. Este important să nu se limiteze excesiv viteza, eficiența și flexibilitatea procesului de proiectare. Ca atare, rezultatele obținute aici au fost concepute pentru a oferi îndrumări și sprijin suplimentar procesului de proiectare și nu sunt un substitut pentru analiza detaliată și justificarea la sfârșitul procesului de proiectare. Acest plan strategic pune bazele cercetării ulterioare categorice pentru rezultate dovedite. De exemplu, încă puțin se știe despre comportamentul mecanic al panourilor compozite în diferite condiții de încărcare și suport.
Odată ce proiectarea și inginerie sunt finalizate, modelul este gata pentru producția digitală. Procesul de fabricație este împărțit în patru sub-etape (Fig. 4). În primul rând, structura principală a fost fabricată aditiv folosind o instalație robotică de imprimare 3D la scară largă. Suprafața este apoi frezată folosind același sistem robotizat pentru a îmbunătăți calitatea suprafeței necesară pentru o bună lipire. După frezare, adezivul este aplicat de-a lungul structurii miezului folosind un sistem de dozare special conceput, montat pe același sistem robotizat utilizat pentru procesul de imprimare și măcinare. În cele din urmă, sticla este instalată și așezată înainte de întărirea UV a îmbinării lipite.
Pentru fabricarea aditivă, topologia definită a structurii de bază trebuie tradusă în limbajul mașinii CNC (GCode). Pentru rezultate uniforme și de înaltă calitate, scopul este de a imprima fiecare strat fără ca duza extruderului să cadă. Acest lucru previne suprapresiunea nedorită la începutul și la sfârșitul mișcării. Prin urmare, a fost scris un script de generare continuă a traiectoriei pentru modelul de celule utilizat. Acest lucru va crea o polilinie parametrică continuă cu aceleași puncte de început și de sfârșit, care se adaptează la dimensiunea panoului selectat, numărul și dimensiunea fagurilor conform designului. În plus, parametri precum lățimea și înălțimea liniei pot fi specificați înainte de așezarea liniilor pentru a obține înălțimea dorită a structurii principale. Următorul pas în script este să scrieți comenzile G-code.
Acest lucru se realizează prin înregistrarea coordonatelor fiecărui punct de pe linie cu informații suplimentare despre mașină, cum ar fi alte axe relevante pentru poziționare și controlul volumului de extrudare. Codul G rezultat poate fi apoi transferat la mașinile de producție. În acest exemplu, un braț robot industrial Comau NJ165 pe o șină liniară este utilizat pentru a controla un extruder CEAD E25 conform codului G (Figura 5). Primul prototip a folosit PETG post-industrial cu un conținut de fibră de sticlă de 20%. În ceea ce privește testarea mecanică, dimensiunea țintă este apropiată de dimensiunea industriei construcțiilor, astfel încât dimensiunile elementului principal sunt 1983 × 876 mm cu 6 × 4 celule de tip fagure. 6 mm și 2 mm înălțime.
Testele preliminare au arătat că există o diferență de rezistență a adezivului între adeziv și rășina de imprimare 3D, în funcție de proprietățile suprafeței sale. Pentru a face acest lucru, eșantioanele de testare de fabricație aditivă sunt lipite sau laminate pe sticlă și supuse la tensiune sau la forfecare. În timpul prelucrării mecanice preliminare a suprafeței polimerului prin frezare, rezistența a crescut semnificativ (Fig. 6). În plus, îmbunătățește planeitatea miezului și previne defectele cauzate de supraextruziune. Acrilatul LOCTITE® AA 3345™ [19] cu întărire UV utilizat aici este sensibil la condițiile de procesare.
Acest lucru duce adesea la o abatere standard mai mare pentru probele de testare a legăturii. După fabricarea aditivă, structura miezului a fost frezată pe o mașină de frezat profil. Codul G necesar pentru această operațiune este generat automat din traseele de instrumente deja create pentru procesul de imprimare 3D. Structura miezului trebuie imprimată puțin mai mare decât înălțimea miezului prevăzută. În acest exemplu, structura miezului cu grosimea de 18 mm a fost redusă la 14 mm.
Această parte a procesului de producție este o provocare majoră pentru automatizarea completă. Utilizarea adezivilor impune cerințe ridicate asupra acurateței și preciziei mașinilor. Sistemul pneumatic de dozare este utilizat pentru aplicarea adezivul de-a lungul structurii miezului. Este ghidat de robot de-a lungul suprafeței de frezare în conformitate cu traseul definit al sculei. Se dovedește că înlocuirea vârfului tradițional de distribuire cu o perie este deosebit de avantajoasă. Acest lucru permite adezivilor cu vâscozitate scăzută să fie distribuite uniform în volum. Această sumă este determinată de presiunea din sistem și de viteza robotului. Pentru o precizie mai mare și o calitate ridicată a lipirii, sunt preferate viteze de deplasare reduse de 200 până la 800 mm/min.
Acrilatul cu o vâscozitate medie de 1500 mPa*s a fost aplicat pe peretele miezului de polimer cu o lățime de 6 mm folosind o perie de dozare cu un diametru interior de 0,84 mm și o lățime a periei de 5 la o presiune aplicată de 0,3 până la 0,6 mbar. mm. Adezivul este apoi întins pe suprafața substratului și formează un strat gros de 1 mm datorită tensiunii superficiale. Determinarea exactă a grosimii adezivului nu poate fi încă automatizată. Durata procesului este un criteriu important pentru alegerea unui adeziv. Structura centrală produsă aici are o lungime a căii de 26 m și, prin urmare, un timp de aplicare de 30 până la 60 de minute.
După aplicarea adezivului, instalați geamul termopan. Datorită grosimii reduse a materialului, sticla subțire este deja puternic deformată de propria greutate și, prin urmare, trebuie poziționată cât mai uniform posibil. Pentru aceasta se folosesc ventuze pneumatice din sticla cu ventuze dispersate in timp. Se așează pe componentă cu ajutorul unei macarale, iar pe viitor poate fi amplasat direct cu ajutorul roboților. Placa de sticlă a fost plasată paralel cu suprafața miezului pe stratul adeziv. Datorită greutății mai mici, o placă suplimentară de sticlă (4 până la 6 mm grosime) crește presiunea asupra acesteia.
Rezultatul ar trebui să fie umezirea completă a suprafeței sticlei de-a lungul structurii miezului, așa cum se poate aprecia dintr-o inspecție vizuală inițială a diferențelor vizibile de culoare. Procesul de aplicare poate avea, de asemenea, un impact semnificativ asupra calității îmbinării finale lipite. Odată lipite, panourile de sticlă nu trebuie mutate, deoarece acest lucru va duce la reziduuri vizibile de adeziv pe sticlă și defecte în stratul de adeziv real. În cele din urmă, adezivul este întărit cu radiații UV la o lungime de undă de 365 nm. Pentru a face acest lucru, o lampă UV cu o densitate de putere de 6 mW/cm2 este trecută treptat pe întreaga suprafață adezivă timp de 60 de secunde.
Conceptul de panouri compozite din sticlă subțire ușoare și personalizabile cu miez de polimer fabricat aditiv discutat aici este destinat utilizării în fațadele viitoare. Astfel, panourile compozite trebuie să respecte standardele aplicabile și să îndeplinească cerințele pentru stările limită de serviciu (SLS), stările limită de rezistență finală (ULS) și cerințele de siguranță. Prin urmare, panourile compozite trebuie să fie sigure, puternice și suficient de rigide pentru a rezista la sarcini (cum ar fi sarcinile de suprafață) fără rupere sau deformare excesivă. Pentru a investiga răspunsul mecanic al panourilor compozite din sticlă subțire fabricate anterior (așa cum este descris în secțiunea Testare mecanică), acestea au fost supuse testelor de încărcare a vântului, așa cum este descris în subsecțiunea următoare.
Scopul testării fizice este de a studia proprietățile mecanice ale panourilor compozite ale pereților exteriori sub sarcinile vântului. În acest scop, panouri compozite constând dintr-o foaie exterioară de sticlă călită completă de 3 mm grosime și un miez fabricat aditiv de 14 mm grosime (din PIPG-GF20) au fost fabricate așa cum este descris mai sus folosind adeziv Henkel Loctite AA 3345 (Fig. 7 din stânga). )). . Panourile compozite sunt apoi atașate de cadrul suport din lemn cu șuruburi metalice care sunt introduse prin cadrul de lemn și în părțile laterale ale structurii principale. 30 de șuruburi au fost plasate în jurul perimetrului panoului (vezi linia neagră din stânga în Fig. 7) pentru a reproduce cât mai aproape posibil condițiile de sprijin liniar în jurul perimetrului.
Cadrul de testare a fost apoi etanșat pe peretele exterior de testare prin aplicarea presiunii vântului sau a aspirației vântului în spatele panoului compozit (Figura 7, dreapta sus). Pentru înregistrarea datelor este utilizat un sistem de corelare digitală (DIC). Pentru a face acest lucru, sticla exterioară a panoului compozit este acoperită cu o foaie elastică subțire imprimată pe ea cu un model de zgomot perlat (Fig. 7, dreapta jos). DIC folosește două camere pentru a înregistra poziția relativă a tuturor punctelor de măsurare de pe întreaga suprafață a sticlei. Două imagini pe secundă au fost înregistrate și utilizate pentru evaluare. Presiunea din camera, inconjurata de panouri compozite, este crescuta cu ajutorul unui ventilator in trepte de 1000 Pa pana la o valoare maxima de 4000 Pa, astfel incat fiecare nivel de sarcina sa fie mentinut timp de 10 secunde.
Configurația fizică a experimentului este reprezentată și de un model numeric cu aceleași dimensiuni geometrice. Pentru aceasta se foloseste programul numeric Ansys Mechanical. Structura centrală a fost plasă geometrică folosind elemente hexagonale SOLID 185 cu laturi de 20 mm pentru sticlă și elemente tetraedrice SOLID 187 cu laturi de 3 mm. Pentru a simplifica modelarea, în această etapă a studiului, se presupune aici că acrilatul utilizat este ideal rigid și subțire și este definit ca o legătură rigidă între sticlă și materialul miezului.
Panourile compozite sunt fixate în linie dreaptă în afara miezului, iar panoul de sticlă este supus unei sarcini de presiune a suprafeței de 4000 Pa. Deși la modelare s-au luat în considerare neliniaritățile geometrice, în această etapă au fost utilizate doar modele de materiale liniare. studiu. Deși aceasta este o ipoteză validă pentru răspunsul elastic liniar al sticlei (E = 70.000 MPa), conform fișei de date a producătorului materialului de miez polimeric (vâscoelastic) [17], rigiditatea liniară E = 8245 MPa a fost utilizată în analiza actuală ar trebui luată în considerare cu rigurozitate și va fi studiată în cercetările viitoare.
Rezultatele prezentate aici sunt evaluate în principal pentru deformații la sarcini maxime ale vântului de până la 4000 Pa (=ˆ4kN/m2). Pentru aceasta, imaginile înregistrate prin metoda DIC au fost comparate cu rezultatele simulării numerice (FEM) (Fig. 8, dreapta jos). În timp ce o deformare totală ideală de 0 mm cu suporturi liniare „ideale” în regiunea marginii (adică, perimetrul panoului) este calculată în FEM, deplasarea fizică a regiunii marginii trebuie luată în considerare atunci când se evaluează DIC. Acest lucru se datorează toleranțelor de instalare și deformării cadrului de testare și a etanșărilor acestuia. Pentru comparație, deplasarea medie în regiunea marginii (linia albă întreruptă în Fig. 8) a fost scăzută din deplasarea maximă în centrul panoului. Deplasările determinate de DIC și FEA sunt comparate în Tabelul 1 și sunt prezentate grafic în colțul din stânga sus al Fig. 8.
Cele patru niveluri de încărcare aplicate ale modelului experimental au fost utilizate ca puncte de control pentru evaluare și evaluate în FEM. Deplasarea centrală maximă a plăcii compozite în stare neîncărcată a fost determinată prin măsurători DIC la un nivel de încărcare de 4000 Pa la 2,18 mm. În timp ce deplasările FEA la sarcini mai mici (până la 2000 Pa) pot încă reproduce cu exactitate valorile experimentale, creșterea neliniară a deformarii la sarcini mai mari nu poate fi calculată cu exactitate.
Cu toate acestea, studiile au arătat că panourile compozite pot rezista la sarcini extreme ale vântului. Rigiditatea ridicată a panourilor ușoare iese în evidență în special. Folosind calcule analitice bazate pe teoria liniară a plăcilor Kirchhoff [20], o deformare de 2,18 mm la 4000 Pa corespunde deformarii unei singure plăci de sticlă de 12 mm grosime în aceleași condiții la limită. Ca urmare, grosimea sticlei (care este consumatoare de energie în producție) din acest panou compozit poate fi redusă la 2 x 3mm sticlă, rezultând o economie de material de 50%. Reducerea greutății totale a panoului oferă beneficii suplimentare în ceea ce privește asamblarea. În timp ce un panou compozit de 30 kg poate fi manipulat cu ușurință de două persoane, un panou tradițional de sticlă de 50 kg necesită asistență tehnică pentru a se deplasa în siguranță. Pentru a reprezenta cu acuratețe comportamentul mecanic, în studiile viitoare vor fi necesare modele numerice mai detaliate. Analiza cu elemente finite poate fi îmbunătățită în continuare cu modele mai extinse de materiale neliniare pentru polimeri și modelarea legăturilor adezive.
Dezvoltarea și îmbunătățirea proceselor digitale joacă un rol cheie în îmbunătățirea performanței economice și de mediu în industria construcțiilor. În plus, utilizarea sticlei subțiri în fațade promite economii de energie și resurse și deschide noi posibilități pentru arhitectură. Cu toate acestea, din cauza grosimii mici a sticlei, sunt necesare noi soluții de design pentru a consolida în mod adecvat sticla. Prin urmare, studiul prezentat în acest articol explorează conceptul de panouri compozite realizate din sticlă subțire și structuri de miez polimeric imprimat 3D armat prin lipire. Întregul proces de producție de la proiectare la producție a fost digitizat și automatizat. Cu ajutorul Grasshopper, a fost dezvoltat un flux de lucru de la fișier la fabrică pentru a permite utilizarea panourilor compozite subțiri de sticlă în fațadele viitoare.
Producția primului prototip a demonstrat fezabilitatea și provocările producției robotizate. În timp ce producția aditivă și subtractivă sunt deja bine integrate, aplicarea și asamblarea adezivului complet automatizate, în special, prezintă provocări suplimentare care trebuie abordate în cercetările viitoare. Prin testarea mecanică preliminară și modelarea asociată de cercetare cu elemente finite, s-a demonstrat că panourile ușoare și subțiri din fibră de sticlă oferă suficientă rigiditate la încovoiere pentru aplicațiile de fațadă prevăzute, chiar și în condiții extreme de încărcare a vântului. Cercetările în curs ale autorilor vor explora în continuare potențialul panourilor compozite din sticlă subțire fabricate digital pentru aplicații de fațadă și vor demonstra eficacitatea acestora.
Autorii doresc să mulțumească tuturor susținătorilor asociați cu această activitate de cercetare. Datorită programului de finanțare EFRE SAB finanțat din fonduri ale Uniunii Europene sub formă de grant Nr. pentru a asigura resurse financiare pentru achiziționarea unui manipulator cu extruder și dispozitiv de frezat. 100537005. În plus, AiF-ZIM a fost recunoscut pentru finanțarea proiectului de cercetare Glasfur3D (număr grant ZF4123725WZ9) în colaborare cu Glaswerkstätten Glas Ahne, care a oferit un sprijin semnificativ pentru această activitate de cercetare. În cele din urmă, Laboratorul Friedrich Siemens și colaboratorii săi, în special Felix Hegewald și studentul asistent Jonathan Holzerr, recunosc suportul tehnic și implementarea fabricării și testării fizice care au stat la baza acestei lucrări.
Ora postării: Aug-04-2023