Zastosowanie cienkiego szkła obiecuje spełnić różnorodne zadania w budownictwie. Oprócz korzyści dla środowiska wynikających z bardziej efektywnego wykorzystania zasobów, architekci mogą wykorzystać cienkie szkło, aby osiągnąć nowy poziom swobody projektowania. W oparciu o teorię kanapkową elastyczne cienkie szkło można połączyć z drukowanym w 3D rdzeniem polimerowym o otwartych komórkach, tworząc bardzo sztywne i lekkie
elementy kompozytowe. W artykule przedstawiono eksploracyjną próbę cyfrowego wytwarzania cienkich paneli elewacyjnych z kompozytów szklanych przy użyciu robotów przemysłowych. Wyjaśnia koncepcję digitalizacji przepływów pracy od fabryki do fabryki, w tym projektowania wspomaganego komputerowo (CAD), inżynierii (CAE) i produkcji (CAM). Badanie demonstruje proces projektowania parametrycznego, który umożliwia bezproblemową integrację narzędzi analizy cyfrowej.
Ponadto proces ten ukazuje potencjał i wyzwania związane z cyfrową produkcją cienkich szklanych paneli kompozytowych. W tym miejscu wyjaśniono niektóre etapy produkcyjne wykonywane przez ramię robota przemysłowego, takie jak wielkoformatowe wytwarzanie przyrostowe, obróbka powierzchni, klejenie i procesy montażu. Wreszcie, po raz pierwszy uzyskano głębokie zrozumienie właściwości mechanicznych paneli kompozytowych poprzez badania eksperymentalne i numeryczne oraz ocenę właściwości mechanicznych paneli kompozytowych pod obciążeniem powierzchniowym. Ogólna koncepcja cyfrowego procesu projektowania i wytwarzania, a także wyniki badań eksperymentalnych stanowią podstawę do dalszej integracji metod definiowania i analizy kształtu, a także do prowadzenia szeroko zakrojonych badań mechanistycznych w przyszłych badaniach.
Cyfrowe metody wytwarzania pozwalają nam udoskonalać produkcję poprzez transformację tradycyjnych metod i dostarczanie nowych możliwości projektowych [1]. Tradycyjne metody budowlane zwykle nadmiernie wykorzystują materiały pod względem kosztów, podstawowej geometrii i bezpieczeństwa. Przenosząc konstrukcje do fabryk, wykorzystując modułową prefabrykację i robotykę do wdrażania nowych metod projektowania, materiały można efektywnie wykorzystywać bez uszczerbku dla bezpieczeństwa. Cyfrowa produkcja pozwala nam poszerzać naszą wyobraźnię projektową, aby tworzyć bardziej różnorodne, wydajne i ambitne kształty geometryczne. Chociaż procesy projektowania i obliczeń zostały w dużej mierze zdigitalizowane, produkcja i montaż są nadal w dużej mierze wykonywane ręcznie w tradycyjny sposób. Aby sprostać coraz bardziej złożonym strukturom o dowolnych kształtach, coraz ważniejsze stają się cyfrowe procesy produkcyjne. Pragnienie wolności i elastyczności projektowania, zwłaszcza jeśli chodzi o elewacje, stale rośnie. Oprócz efektu wizualnego, fasady o dowolnych kształtach pozwalają również na tworzenie bardziej wydajnych konstrukcji, na przykład poprzez zastosowanie efektów membranowych [2]. Ponadto ogromny potencjał cyfrowych procesów produkcyjnych tkwi w ich efektywności i możliwości optymalizacji projektów.
W tym artykule omówiono, w jaki sposób można wykorzystać technologię cyfrową do projektowania i produkcji innowacyjnych kompozytowych paneli elewacyjnych składających się z rdzenia polimerowego wytwarzanego addytywnie i klejonych cienkich szklanych paneli zewnętrznych. Oprócz nowych możliwości architektonicznych związanych z zastosowaniem cienkiego szkła, ważnymi motywacjami do stosowania mniejszej ilości materiałów do budowy przegród zewnętrznych były także kryteria środowiskowe i ekonomiczne. W obliczu zmiany klimatu, niedoboru zasobów i rosnących cen energii w przyszłości szkło musi być wykorzystywane mądrzej. Zastosowanie cienkiego szkła o grubości poniżej 2 mm pochodzącego z przemysłu elektronicznego sprawia, że elewacja jest lekka i zmniejsza zużycie surowców.
Ze względu na dużą elastyczność cienkiego szkła otwiera ono nowe możliwości zastosowań architektonicznych i jednocześnie stawia nowe wyzwania inżynierskie [3,4,5,6]. Chociaż obecna realizacja projektów fasad z wykorzystaniem cienkiego szkła jest ograniczona, cienkie szkło jest coraz częściej stosowane w inżynierii lądowej i architekturze. Ze względu na dużą zdolność cienkiego szkła do odkształceń sprężystych jego zastosowanie w elewacjach wymaga wzmocnionych rozwiązań konstrukcyjnych [7]. Oprócz wykorzystania efektu membrany dzięki zakrzywionej geometrii [8], moment bezwładności można również zwiększyć poprzez wielowarstwową strukturę składającą się z rdzenia polimerowego i klejonej cienkiej szklanej warstwy zewnętrznej. Podejście to okazało się obiecujące ze względu na zastosowanie twardego, przezroczystego rdzenia z poliwęglanu, który jest mniej gęsty niż szkło. Oprócz pozytywnego działania mechanicznego spełniono dodatkowe kryteria bezpieczeństwa [9].
Podejście przedstawione w poniższym badaniu opiera się na tej samej koncepcji, ale wykorzystuje dodatkowo wytwarzany półprzezroczysty rdzeń o otwartych porach. Gwarantuje to większy stopień swobody geometrycznej i możliwości projektowych, a także integrację funkcji fizycznych budynku [10]. Takie panele kompozytowe okazały się szczególnie skuteczne w testach mechanicznych [11] i obiecują zmniejszyć ilość użytego szkła nawet o 80%. Nie tylko zmniejszy to wymagane zasoby, ale także znacznie zmniejszy ciężar paneli, zwiększając w ten sposób wydajność podkonstrukcji. Jednak nowe formy budownictwa wymagają nowych form produkcji. Wydajne konstrukcje wymagają wydajnych procesów produkcyjnych. Projektowanie cyfrowe przyczynia się do cyfrowej produkcji. Artykuł stanowi kontynuację wcześniejszych badań autora poprzez przedstawienie badań cyfrowego procesu wytwarzania cienkich szklanych paneli kompozytowych do robotów przemysłowych. Nacisk położony jest na cyfryzację przepływu pracy od pliku do fabryki pierwszych wielkoformatowych prototypów, aby zwiększyć automatyzację procesu produkcyjnego.
Panel kompozytowy (rysunek 1) składa się z dwóch cienkich szklanych nakładek owiniętych wokół rdzenia z polimeru AM. Obie części są połączone klejem. Celem tego projektu jest możliwie najbardziej efektywne rozłożenie obciążenia na całą sekcję. Momenty zginające powodują powstawanie naprężeń normalnych w powłoce. Siły boczne powodują naprężenia ścinające w rdzeniu i połączeniach klejonych.
Zewnętrzna warstwa konstrukcji warstwowej wykonana jest z cienkiego szkła. W zasadzie będzie stosowane szkło sodowo-wapniowo-krzemianowe. Przy docelowej grubości < 2 mm proces odpuszczania termicznego osiąga aktualny limit technologiczny. Szkło glinokrzemianowe wzmacniane chemicznie można uznać za szczególnie odpowiednie, jeśli ze względu na konstrukcję (np. panele gięte na zimno) lub zastosowanie wymagana jest większa wytrzymałość [12]. Uzupełnieniem funkcji przepuszczalności światła i ochrony środowiska będą dobre właściwości mechaniczne, takie jak dobra odporność na zarysowania i stosunkowo wysoki moduł Younga w porównaniu do innych materiałów stosowanych w kompozytach. Ze względu na ograniczone rozmiary cienkiego szkła hartowanego chemicznie, do stworzenia pierwszego prototypu na dużą skalę wykorzystano panele z całkowicie hartowanego szkła sodowo-wapniowego o grubości 3 mm.
Konstrukcję nośną uważa się za ukształtowaną część panelu kompozytowego. Ma to wpływ na prawie wszystkie atrybuty. Dzięki metodzie wytwarzania przyrostowego stanowi jednocześnie centrum cyfrowego procesu produkcyjnego. Tworzywa termoplastyczne przetwarza się metodą stapiania. Umożliwia to zastosowanie dużej liczby różnych polimerów do konkretnych zastosowań. Topologię głównych elementów można zaprojektować z różnym naciskiem w zależności od ich funkcji. W tym celu projektowanie kształtu można podzielić na następujące cztery kategorie projektów: projekt konstrukcyjny, projekt funkcjonalny, projekt estetyczny i projekt produkcyjny. Każda kategoria może mieć różne cele, co może prowadzić do różnych topologii.
W trakcie badań wstępnych niektóre z głównych projektów zostały sprawdzone pod kątem przydatności ich konstrukcji [11]. Z mechanicznego punktu widzenia szczególnie efektywna jest trzyokresowa minimalna powierzchnia rdzenia żyroskopu. Zapewnia to wysoką odporność mechaniczną na zginanie przy stosunkowo niskim zużyciu materiału. Oprócz podstawowych struktur komórkowych odtwarzanych w obszarach powierzchni, topologię można również wygenerować za pomocą innych technik wyszukiwania kształtu. Generowanie linii naprężeń jest jednym z możliwych sposobów optymalizacji sztywności przy najniższej możliwej wadze [13]. Jednakże za punkt wyjścia do opracowania linii produkcyjnej przyjęto strukturę plastra miodu, powszechnie stosowaną w konstrukcjach warstwowych. Ta podstawowa forma prowadzi do szybkiego postępu w produkcji, szczególnie poprzez łatwe programowanie ścieżki narzędzia. Jego zachowanie w panelach kompozytowych zostało szczegółowo zbadane [14, 15, 16], a jego wygląd można zmieniać na wiele sposobów poprzez parametryzację, a także można go wykorzystać do wstępnych koncepcji optymalizacji.
Przy wyborze polimeru należy wziąć pod uwagę wiele polimerów termoplastycznych, w zależności od zastosowanego procesu wytłaczania. Wstępne wstępne badania materiałów na małą skalę zmniejszyły liczbę polimerów uznawanych za odpowiednie do stosowania w elewacjach [11]. Poliwęglan (PC) jest obiecujący ze względu na swoją odporność na ciepło, odporność na promieniowanie UV i wysoką sztywność. Ze względu na dodatkowe inwestycje techniczne i finansowe wymagane do przetwarzania poliwęglanu, do produkcji pierwszych prototypów wykorzystano politereftalan etylenu modyfikowany glikolem etylenowym (PETG). Jest szczególnie łatwy w obróbce w stosunkowo niskich temperaturach przy niskim ryzyku naprężeń termicznych i deformacji elementów. Pokazany tutaj prototyp jest wykonany z przetworzonego PETG zwanego PIPG. Materiał wstępnie suszono w temperaturze 60°C przez co najmniej 4 h i przetwarzano na granulat o zawartości włókna szklanego 20% [17].
Klej zapewnia silne połączenie pomiędzy polimerową strukturą rdzenia a cienką szklaną pokrywą. Kiedy płyty kompozytowe poddawane są obciążeniom zginającym, złącza klejowe poddawane są naprężeniom ścinającym. Dlatego preferowany jest twardszy klej, który może zmniejszyć ugięcie. Przezroczyste kleje pomagają również zapewnić wysoką jakość wizualną po przyklejeniu do przezroczystego szkła. Kolejnym ważnym czynnikiem przy wyborze kleju jest łatwość produkcji i integracja z zautomatyzowanymi procesami produkcyjnymi. W tym przypadku kleje utwardzane promieniami UV o elastycznym czasie utwardzania mogą znacznie uprościć pozycjonowanie warstw wierzchnich. Na podstawie wstępnych badań przeprowadzono badania szeregu klejów pod kątem ich przydatności do cienkich szklanych paneli kompozytowych [18]. Utwardzany promieniami UV akrylan Loctite® AA 3345™ [19] okazał się szczególnie odpowiedni do poniższego procesu.
Aby wykorzystać możliwości wytwarzania przyrostowego i elastyczność cienkiego szkła, cały proces został zaprojektowany tak, aby przebiegał cyfrowo i parametrycznie. Grasshopper służy jako wizualny interfejs programowania, unikając interfejsów między różnymi programami. Wszystkie dziedziny (inżynieria, inżynieria i produkcja) będą się wspierać i uzupełniać w jednym pliku z bezpośrednią informacją zwrotną od operatora. Na tym etapie badania przepływ pracy jest wciąż w fazie rozwoju i przebiega zgodnie ze schematem pokazanym na rysunku 2. Różne cele można pogrupować w kategorie w obrębie dyscyplin.
Chociaż produkcja płyt warstwowych opisana w tym artykule została zautomatyzowana poprzez projektowanie i produkcję zorientowane na użytkownika, integracja i walidacja poszczególnych narzędzi inżynierskich nie została w pełni zrealizowana. Na podstawie parametrycznego projektu geometrii elewacji możliwe jest zaprojektowanie powłoki zewnętrznej budynku na poziomie makro (elewacja) i mezo (płyty elewacyjne). Na drugim etapie inżynieryjna pętla informacji zwrotnej ma na celu ocenę bezpieczeństwa i przydatności, a także wykonalności produkcji ścian osłonowych. Ostatecznie powstałe panele są gotowe do cyfrowej produkcji. Program przetwarza opracowaną strukturę rdzenia w czytelnym maszynowo kodzie G i przygotowuje ją do wytwarzania przyrostowego, subtraktywnego przetwarzania końcowego i klejenia szkła.
Proces projektowania rozpatrywany jest na dwóch różnych poziomach. Oprócz tego, że makrokształt fasad wpływa na geometrię każdego panelu kompozytowego, topologię samego rdzenia można zaprojektować również na poziomie mezo. Korzystając z parametrycznego modelu fasady, na kształt i wygląd można wpływać za pomocą przykładowych przekrojów fasady za pomocą suwaków pokazanych na rysunku 3. Zatem całkowita powierzchnia składa się ze zdefiniowanej przez użytkownika skalowalnej powierzchni, którą można odkształcać za pomocą atraktorów punktowych i modyfikować za pomocą określenie minimalnego i maksymalnego stopnia odkształcenia. Zapewnia to dużą elastyczność w projektowaniu przegród zewnętrznych budynków. Jednakże ten stopień swobody jest ograniczony przez ograniczenia techniczne i produkcyjne, które następnie są uwzględniane przez algorytmy w części inżynieryjnej.
Oprócz wysokości i szerokości całej elewacji określa się podział paneli elewacyjnych. Jeśli chodzi o poszczególne panele elewacyjne, to można je dokładniej zdefiniować na poziomie mezo. Ma to wpływ na topologię samej struktury rdzenia, a także na grubość szkła. Te dwie zmienne, a także rozmiar panelu, mają istotny związek z modelowaniem inżynierii mechanicznej. Projektowanie i rozwój całego poziomu makro i mezo można przeprowadzić pod kątem optymalizacji w czterech kategoriach struktury, funkcji, estetyki i projektu produktu. Użytkownicy mogą kształtować ogólny wygląd i charakter przegród zewnętrznych budynku, nadając priorytet tym obszarom.
Projekt wspierany jest częścią inżynierską z wykorzystaniem pętli sprzężenia zwrotnego. W tym celu w kategorii optymalizacji pokazanej na rys. 2 zdefiniowano cele i warunki brzegowe. Zapewniają one korytarze wykonalne technicznie, solidne fizycznie i bezpieczne w budowie z inżynierskiego punktu widzenia, co ma istotny wpływ na projekt. Jest to punkt wyjścia dla różnych narzędzi, które można zintegrować bezpośrednio z Grasshopper. W dalszych badaniach właściwości mechaniczne można ocenić za pomocą analizy elementów skończonych (MES) lub nawet obliczeń analitycznych.
Ponadto badania promieniowania słonecznego, analiza linii wzroku i modelowanie czasu nasłonecznienia mogą ocenić wpływ paneli kompozytowych na fizykę budynku. Ważne jest, aby nie ograniczać nadmiernie szybkości, wydajności i elastyczności procesu projektowania. W związku z tym uzyskane tutaj wyniki mają na celu zapewnienie dodatkowych wskazówek i wsparcia dla procesu projektowania i nie zastępują szczegółowej analizy i uzasadnienia na końcu procesu projektowania. Ten plan strategiczny kładzie podwaliny pod dalsze kategoryczne badania w celu uzyskania sprawdzonych wyników. Na przykład niewiele wiadomo jeszcze na temat mechanicznego zachowania paneli kompozytowych w różnych warunkach obciążenia i podparcia.
Po zakończeniu projektowania i inżynierii model jest gotowy do cyfrowej produkcji. Proces produkcyjny dzieli się na cztery podetapy (rys. 4). Najpierw główna konstrukcja została wytworzona addytywnie przy użyciu wielkoskalowego zrobotyzowanego zakładu druku 3D. Powierzchnia jest następnie frezowana przy użyciu tego samego zrobotyzowanego systemu, aby poprawić jakość powierzchni wymaganą do dobrego wiązania. Po wyfrezowaniu klej nakładany jest wzdłuż struktury rdzenia za pomocą specjalnie zaprojektowanego systemu dozowania zamontowanego na tym samym zrobotyzowanym systemie, który jest używany w procesie drukowania i frezowania. Na koniec, szkło jest instalowane i układane przed utwardzaniem UV klejonego złącza.
W przypadku wytwarzania przyrostowego zdefiniowana topologia podstawowej struktury musi zostać przetłumaczona na język maszynowy CNC (GCode). Aby uzyskać jednolite i wysokiej jakości wyniki, celem jest wydrukowanie każdej warstwy bez odpadania dyszy wytłaczarki. Zapobiega to niepożądanemu nadciśnieniu na początku i na końcu ruchu. Dlatego też napisano skrypt ciągłego generowania trajektorii dla używanego wzorca komórek. Spowoduje to utworzenie parametrycznej ciągłej polilinii z tymi samymi punktami początkowymi i końcowymi, która dostosowuje się do wybranego rozmiaru panelu, liczby i rozmiaru plastrów miodu zgodnie z projektem. Ponadto parametry takie jak szerokość i wysokość linii można określić przed ułożeniem linii, aby uzyskać pożądaną wysokość głównej konstrukcji. Następnym krokiem w skrypcie jest napisanie poleceń G-code.
Odbywa się to poprzez zapisanie współrzędnych każdego punktu na linii z dodatkowymi informacjami o maszynie, takimi jak inne istotne osie do pozycjonowania i kontroli objętości wytłaczania. Powstały kod G można następnie przenieść do maszyn produkcyjnych. W tym przykładzie ramię robota przemysłowego Comau NJ165 na szynie liniowej służy do sterowania wytłaczarką CEAD E25 zgodnie z kodem G (rysunek 5). W pierwszym prototypie wykorzystano postindustrialny PETG o zawartości włókna szklanego na poziomie 20%. Pod względem testów mechanicznych wielkość docelowa jest zbliżona do wielkości branży budowlanej, zatem wymiary głównego elementu to 1983×876 mm z komórkami o strukturze plastra miodu 6×4. Wysokość 6 mm i 2 mm.
Wstępne testy wykazały, że istnieje różnica w sile przyczepności pomiędzy klejem a żywicą do druku 3D w zależności od właściwości powierzchni. W tym celu próbki do testów wytwarzania przyrostowego są przyklejane lub laminowane do szkła i poddawane rozciąganiu lub ścinaniu. Podczas wstępnej obróbki mechanicznej powierzchni polimeru poprzez frezowanie wytrzymałość znacznie wzrosła (rys. 6). Dodatkowo poprawia płaskość rdzenia i zapobiega defektom spowodowanym nadmiernym wyciskaniem. Zastosowany tutaj akrylan LOCTITE® AA 3345™ [19], utwardzalny promieniowaniem UV, jest wrażliwy na warunki przetwarzania.
Często skutkuje to wyższym odchyleniem standardowym dla próbek testowych wiązania. Po obróbce przyrostowej rdzeń został wyfrezowany na frezarce profilowej. Kod G wymagany do tej operacji jest automatycznie generowany na podstawie ścieżek narzędzi utworzonych już dla procesu drukowania 3D. Struktura rdzenia musi zostać wydrukowana nieco wyżej niż zamierzona wysokość rdzenia. W tym przykładzie grubość rdzenia wynosząca 18 mm została zmniejszona do 14 mm.
Ta część procesu produkcyjnego stanowi duże wyzwanie dla pełnej automatyzacji. Stosowanie klejów stawia wysokie wymagania dokładności i precyzji maszyn. Pneumatyczny system dozowania służy do nakładania kleju wzdłuż struktury rdzenia. Jest prowadzony przez robota po powierzchni frezowanej zgodnie z zadaną ścieżką narzędzia. Okazuje się, że szczególnie korzystna jest wymiana tradycyjnej końcówki dozującej na pędzelek. Umożliwia to równomierne dozowanie klejów o niskiej lepkości. Ilość ta zależy od ciśnienia panującego w układzie i prędkości robota. Aby uzyskać większą precyzję i wysoką jakość klejenia, preferowane są niskie prędkości przesuwu od 200 do 800 mm/min.
Akrylan o średniej lepkości 1500 mPa*s nałożono na ściankę rdzenia polimerowego o szerokości 6 mm za pomocą pędzla dozującego o średnicy wewnętrznej 0,84 mm i szerokości pędzla 5, pod przyłożonym ciśnieniem od 0,3 do 0,6 mbar. mm. Następnie klej rozprowadza się po powierzchni podłoża i pod wpływem napięcia powierzchniowego tworzy warstwę o grubości 1 mm. Dokładne określenie grubości kleju nie może być jeszcze zautomatyzowane. Czas trwania procesu jest ważnym kryterium wyboru kleju. Wytworzona tutaj konstrukcja rdzeniowa ma długość toru 26 m, a zatem czas aplikacji wynosi od 30 do 60 minut.
Po nałożeniu kleju przymocuj okno z podwójną szybą. Ze względu na małą grubość materiału cienkie szkło jest już silnie odkształcane pod własnym ciężarem i dlatego należy je ułożyć możliwie równomiernie. W tym celu stosuje się pneumatyczne przyssawki szklane z przyssawkami rozłożonymi w czasie. Umieszcza się go na elemencie za pomocą dźwigu, a w przyszłości można go umieścić bezpośrednio za pomocą robotów. Płytkę szklaną umieszczono równolegle do powierzchni rdzenia na warstwie kleju. Ze względu na mniejszą wagę, dodatkowa szklana płyta (o grubości 4 do 6 mm) zwiększa nacisk na nią.
Rezultatem powinno być całkowite zwilżenie powierzchni szkła wzdłuż struktury rdzenia, co można ocenić na podstawie wstępnej kontroli wizualnej widocznych różnic kolorystycznych. Proces aplikacji może mieć również znaczący wpływ na jakość końcowego połączenia klejonego. Po sklejeniu nie wolno przesuwać paneli szklanych, gdyż może to spowodować widoczne pozostałości kleju na szkle i wady samej warstwy kleju. Na koniec klej utwardza się promieniowaniem UV o długości fali 365 nm. W tym celu po całej powierzchni kleju stopniowo przepuszcza się lampę UV o mocy 6 mW/cm2 przez 60 sekund.
Omawiana tutaj koncepcja lekkich i możliwych do dostosowania cienkich szklanych paneli kompozytowych z rdzeniem polimerowym wytwarzanym addytywnie ma zostać zastosowana w przyszłych elewacjach. Tym samym płyty kompozytowe muszą odpowiadać obowiązującym normom oraz spełniać wymagania dotyczące stanów granicznych użytkowania (SLS), stanów granicznych wytrzymałości (ULS) oraz wymogi bezpieczeństwa. Dlatego panele kompozytowe muszą być bezpieczne, mocne i wystarczająco sztywne, aby wytrzymać obciążenia (takie jak obciążenia powierzchniowe) bez pękania lub nadmiernego odkształcenia. Aby zbadać reakcję mechaniczną wcześniej wytworzonych cienkich szklanych paneli kompozytowych (jak opisano w sekcji Testy mechaniczne), poddano je testom obciążenia wiatrem, jak opisano w następnym podrozdziale.
Celem badań fizycznych jest badanie właściwości mechanicznych płyt kompozytowych ścian zewnętrznych pod obciążeniem wiatrem. W tym celu panele kompozytowe składające się z zewnętrznej warstwy pełnego hartowanego szkła o grubości 3 mm i rdzenia wykonanego z dodatków o grubości 14 mm (z PIPG-GF20) zostały wyprodukowane w sposób opisany powyżej, przy użyciu kleju Henkel Loctite AA 3345 (ryc. 7 po lewej). )). . Panele kompozytowe są następnie mocowane do drewnianej ramy nośnej za pomocą metalowych śrub, które wbija się w drewnianą ramę i w boki głównej konstrukcji. Na obwodzie panelu umieszczono 30 śrub (patrz czarna linia po lewej stronie na rys. 7), aby jak najdokładniej odtworzyć liniowe warunki podparcia na obwodzie.
Następnie ramę testową przymocowano do zewnętrznej ściany testowej, przykładając ciśnienie lub ssanie wiatru za panelem kompozytowym (Rysunek 7, u góry po prawej). Do rejestrowania danych wykorzystywany jest cyfrowy system korelacji (DIC). W tym celu zewnętrzną szybę panelu kompozytowego pokrywa się cienką elastyczną taflą z nadrukowanym perłowym wzorem szumu (rys. 7, prawy dolny róg). DIC wykorzystuje dwie kamery do rejestracji względnego położenia wszystkich punktów pomiarowych na całej powierzchni szkła. Rejestrowano dwa obrazy na sekundę i wykorzystywano je do oceny. Ciśnienie w komorze otoczonej panelami kompozytowymi zwiększa się za pomocą wentylatora w krokach co 1000 Pa aż do maksymalnej wartości 4000 Pa, dzięki czemu każdy poziom obciążenia utrzymuje się przez 10 sekund.
Fizyczny układ eksperymentu jest również reprezentowany przez model numeryczny o tych samych wymiarach geometrycznych. W tym celu wykorzystywany jest program numeryczny Ansys Mechanical. Konstrukcję rdzenia stanowiła siatka geometryczna z wykorzystaniem elementów sześciokątnych SOLID 185 o boku 20 mm do szkła oraz elementów czworościennych SOLID 187 o boku 3 mm. Aby uprościć modelowanie, na tym etapie badań przyjęto, że zastosowany akrylan jest idealnie sztywny i cienki i definiuje się go jako sztywne połączenie szkła z materiałem rdzenia.
Panele kompozytowe mocowane są w linii prostej na zewnątrz rdzenia, a panel szklany poddawany jest naciskowi powierzchniowemu o wartości 4000 Pa. Mimo że w modelowaniu uwzględniono nieliniowości geometryczne, na tym etapie prac wykorzystano jedynie liniowe modele materiałowe. badanie. Chociaż jest to prawidłowe założenie dla liniowej odpowiedzi sprężystej szkła (E = 70 000 MPa), to zgodnie z kartą katalogową producenta (lepkosprężystego) polimerowego materiału rdzenia [17], w obliczeniach przyjęto sztywność liniową E = 8245 MPa. obecną analizę należy dokładnie rozważyć i będzie ona przedmiotem przyszłych badań.
Przedstawione tutaj wyniki oceniane są głównie dla odkształceń przy maksymalnym obciążeniu wiatrem do 4000 Pa (=ˆ4kN/m2). W tym celu porównano obrazy zarejestrowane metodą DIC z wynikami symulacji numerycznej (MES) (rys. 8, prawy dolny róg). Podczas gdy w MES obliczane jest idealne całkowite odkształcenie wynoszące 0 mm z „idealnymi” podporami liniowymi w obszarze krawędzi (tj. obwodzie panelu), przy ocenie DIC należy wziąć pod uwagę fizyczne przemieszczenie obszaru krawędzi. Wynika to z tolerancji montażowych oraz odkształcenia ramy testowej i jej uszczelek. Dla porównania średnie przemieszczenie w obszarze krawędzi (przerywana biała linia na ryc. 8) zostało odjęte od maksymalnego przemieszczenia w środku panelu. Przemieszczenia wyznaczone metodą DIC i MES porównano w tabeli 1 i przedstawiono graficznie w lewym górnym rogu rys. 8.
Cztery zastosowane poziomy obciążenia modelu eksperymentalnego wykorzystano jako punkty kontrolne do oceny i poddano ocenie w MES. Maksymalne przemieszczenie środkowe płyty kompozytowej w stanie nieobciążonym określono za pomocą pomiarów DIC przy poziomie obciążenia 4000 Pa przy 2,18 mm. Chociaż przemieszczenia MES przy niższych obciążeniach (do 2000 Pa) nadal mogą dokładnie odtworzyć wartości eksperymentalne, nie można dokładnie obliczyć nieliniowego wzrostu odkształcenia przy wyższych obciążeniach.
Badania wykazały jednak, że panele kompozytowe mogą wytrzymać ekstremalne obciążenia wiatrem. Szczególnie wyróżnia się wysoka sztywność lekkich paneli. Stosując obliczenia analityczne oparte na teorii liniowej płytek Kirchhoffa [20], odkształcenie 2,18 mm przy 4000 Pa odpowiada odkształceniu pojedynczej płyty szklanej o grubości 12 mm w tych samych warunkach brzegowych. W rezultacie grubość szkła (którego produkcja jest energochłonna) w tym panelu kompozytowym można zmniejszyć do 2 x 3 mm, co zapewnia oszczędność materiału o 50%. Zmniejszenie masy całkowitej panelu zapewnia dodatkowe korzyści w zakresie montażu. Podczas gdy dwie osoby mogą z łatwością przenosić panel kompozytowy o masie 30 kg, tradycyjny panel szklany o masie 50 kg wymaga wsparcia technicznego, aby bezpiecznie go przenosić. Aby dokładnie przedstawić zachowanie mechaniczne, w przyszłych badaniach potrzebne będą bardziej szczegółowe modele numeryczne. Analizę elementów skończonych można dodatkowo ulepszyć za pomocą bardziej rozbudowanych nieliniowych modeli materiałowych dla polimerów i modelowania wiązań klejowych.
Rozwój i doskonalenie procesów cyfrowych odgrywają kluczową rolę w poprawie wyników ekonomicznych i środowiskowych w branży budowlanej. Ponadto zastosowanie cienkiego szkła w elewacjach zapewnia oszczędność energii i zasobów oraz otwiera nowe możliwości dla architektury. Jednak ze względu na małą grubość szkła potrzebne są nowe rozwiązania konstrukcyjne, aby odpowiednio wzmocnić szkło. Dlatego też w badaniu przedstawionym w tym artykule zbadano koncepcję paneli kompozytowych wykonanych z cienkiego szkła i klejonych, wzmocnionych struktur rdzenia polimerowego drukowanych w 3D. Cały proces produkcyjny od projektu po produkcję został zdigitalizowany i zautomatyzowany. Za pomocą Grasshopper opracowano przepływ pracy od pliku do fabryki, aby umożliwić zastosowanie cienkich szklanych paneli kompozytowych w przyszłych elewacjach.
Produkcja pierwszego prototypu pokazała wykonalność i wyzwania związane z produkcją zrobotyzowaną. Chociaż wytwarzanie przyrostowe i subtraktywne są już dobrze zintegrowane, w szczególności w pełni zautomatyzowane nakładanie i montaż kleju stwarza dodatkowe wyzwania, którymi należy się zająć w przyszłych badaniach. Dzięki wstępnym testom mechanicznym i związanym z nimi modelowaniu metodą elementów skończonych wykazano, że lekkie i cienkie panele z włókna szklanego zapewniają wystarczającą sztywność zginania dla zamierzonych zastosowań elewacyjnych, nawet w warunkach ekstremalnego obciążenia wiatrem. Trwające badania autorów będą dalej badać potencjał wytwarzanych cyfrowo cienkich szklanych paneli kompozytowych do zastosowań elewacyjnych i wykazywać ich skuteczność.
Autorzy pragną podziękować wszystkim osobom wspierającym tę pracę badawczą. Dzięki programowi dofinansowania EFRE SAB dofinansowanego ze środków Unii Europejskiej w formie dotacji nr na dofinansowanie zakupu manipulatora wraz z wytłaczarką i urządzeniem frezującym. 100537005. Ponadto firma AiF-ZIM została wyróżniona za finansowanie projektu badawczego Glasfur3D (numer grantu ZF4123725WZ9) we współpracy z firmą Glaswerkstätten Glas Ahne, która zapewniła znaczące wsparcie dla tych prac badawczych. Na koniec Laboratorium Friedricha Siemensa i jego współpracownicy, zwłaszcza Felix Hegewald i asystent studenta Jonathan Holzerr, wyrażają wdzięczność za wsparcie techniczne i wdrożenie produkcji oraz testów fizycznych, które stanowiły podstawę tego artykułu.
Czas publikacji: 04 sierpnia 2023 r