Použitie tenkého skla sľubuje splnenie rôznych úloh v stavebníctve. Okrem environmentálnych výhod efektívnejšieho využívania zdrojov môžu architekti použiť tenké sklo na dosiahnutie nových stupňov voľnosti dizajnu. Na základe sendvičovej teórie možno flexibilné tenké sklo kombinovať s 3D tlačeným polymérovým jadrom s otvorenými bunkami, aby sa vytvorilo veľmi pevné a ľahké
kompozitné prvky. Tento článok predstavuje prieskumný pokus o digitálnu výrobu tenkých sklokompozitných fasádnych panelov pomocou priemyselných robotov. Vysvetľuje koncepciu digitalizácie pracovných postupov medzi továrňami, vrátane počítačom podporovaného dizajnu (CAD), inžinierstva (CAE) a výroby (CAM). Štúdia demonštruje proces parametrického návrhu, ktorý umožňuje bezproblémovú integráciu nástrojov digitálnej analýzy.
Okrem toho tento proces demonštruje potenciál a výzvy digitálnej výroby tenkých sklenených kompozitných panelov. Tu sú vysvetlené niektoré výrobné kroky vykonávané ramenom priemyselného robota, ako je veľkoformátová aditívna výroba, povrchové opracovanie, lepenie a montáž. Nakoniec, po prvý raz sa podarilo dosiahnuť hlboké pochopenie mechanických vlastností kompozitných panelov prostredníctvom experimentálnych a numerických štúdií a hodnotenia mechanických vlastností kompozitných panelov pri povrchovom zaťažení. Celková koncepcia pracovného toku digitálneho dizajnu a výroby, ako aj výsledky experimentálnych štúdií, poskytujú základ pre ďalšiu integráciu metód definície tvaru a analýzy, ako aj pre vykonávanie rozsiahlych mechanistických štúdií v budúcich štúdiách.
Digitálne výrobné metódy nám umožňujú zlepšiť výrobu transformáciou tradičných metód a poskytnutím nových konštrukčných možností [1]. Tradičné stavebné metódy majú tendenciu nadmerne využívať materiály z hľadiska nákladov, základnej geometrie a bezpečnosti. Presunutím konštrukcie do tovární, využitím modulárnej prefabrikácie a robotiky na implementáciu nových konštrukčných metód možno materiály efektívne využívať bez ohrozenia bezpečnosti. Digitálna výroba nám umožňuje rozšíriť našu dizajnérsku predstavivosť a vytvárať rozmanitejšie, efektívnejšie a ambicióznejšie geometrické tvary. Zatiaľ čo procesy navrhovania a výpočtu boli do značnej miery digitalizované, výroba a montáž sa stále väčšinou vykonávajú ručne tradičnými spôsobmi. Aby sme sa vyrovnali s čoraz zložitejšími štruktúrami voľnej formy, digitálne výrobné procesy sú čoraz dôležitejšie. Túžba po slobode a flexibilite dizajnu, najmä pokiaľ ide o fasády, neustále rastie. Okrem vizuálneho efektu umožňujú voľne tvarované fasády vytvárať efektívnejšie štruktúry, napríklad využitím membránových efektov [2]. Veľký potenciál digitálnych výrobných procesov navyše spočíva v ich efektivite a možnosti optimalizácie dizajnu.
Tento článok skúma, ako možno použiť digitálnu technológiu na navrhovanie a výrobu inovatívneho kompozitného fasádneho panelu pozostávajúceho z aditívne vyrobeného polymérového jadra a spájaných tenkých sklenených vonkajších panelov. Okrem nových architektonických možností spojených s použitím tenkého skla boli dôležitými motiváciami pre použitie menšieho množstva materiálu na konštrukciu plášťa budovy aj environmentálne a ekonomické kritériá. S klimatickými zmenami, nedostatkom zdrojov a rastúcimi cenami energie v budúcnosti sa sklo musí používať rozumnejšie. Použitie tenkého skla s hrúbkou menšou ako 2 mm z elektronického priemyslu robí fasádu ľahkou a znižuje spotrebu surovín.
Vďaka vysokej flexibilite tenkého skla otvára nové možnosti pre architektonické aplikácie a zároveň kladie nové inžinierske výzvy [3,4,5,6]. Zatiaľ čo súčasná realizácia fasádnych projektov s použitím tenkého skla je obmedzená, tenké sklo sa čoraz viac používa v inžinierskych stavbách a architektonických štúdiách. Vzhľadom na vysokú schopnosť tenkého skla elastickej deformácie si jeho použitie vo fasádach vyžaduje zosilnené konštrukčné riešenia [7]. Okrem využitia membránového efektu v dôsledku zakrivenej geometrie [8] môže byť moment zotrvačnosti zvýšený aj viacvrstvovou štruktúrou pozostávajúcou z polymérového jadra a lepenej tenkej sklenenej vonkajšej tabule. Tento prístup sa ukázal ako sľubný vďaka použitiu tvrdého priehľadného polykarbonátového jadra, ktoré je menej husté ako sklo. Okrem pozitívneho mechanického pôsobenia boli splnené aj ďalšie bezpečnostné kritériá [9].
Prístup v nasledujúcej štúdii je založený na rovnakom koncepte, ale s použitím aditívne vyrobeného priesvitného jadra s otvorenými pórmi. To zaručuje vyššiu mieru geometrickej voľnosti a konštrukčných možností, ako aj integráciu fyzických funkcií budovy [10]. Takéto kompozitné panely sa ukázali ako obzvlášť účinné pri mechanickom testovaní [11] a sľubujú zníženie množstva použitého skla až o 80 %. Tým sa nielen znížia potrebné zdroje, ale tiež sa výrazne zníži hmotnosť panelov, čím sa zvýši účinnosť spodnej konštrukcie. Nové formy výstavby si však vyžadujú nové formy výroby. Efektívne konštrukcie vyžadujú efektívne výrobné procesy. Digitálny dizajn prispieva k digitálnej výrobe. Tento článok nadväzuje na predchádzajúci výskum autora prezentovaním štúdie digitálneho výrobného procesu tenkých sklenených kompozitných panelov pre priemyselné roboty. Dôraz sa kladie na digitalizáciu pracovného toku medzi súbormi a továrňami prvých veľkoformátových prototypov s cieľom zvýšiť automatizáciu výrobného procesu.
Kompozitný panel (obrázok 1) pozostáva z dvoch tenkých sklenených prekrytí obalených okolo AM polymérového jadra. Dve časti sú spojené lepidlom. Účelom tejto konštrukcie je čo najefektívnejšie rozložiť zaťaženie na celý úsek. Ohybové momenty vytvárajú normálne napätia v plášti. Bočné sily spôsobujú šmykové napätia v jadre a lepených spojoch.
Vonkajšia vrstva sendvičovej konštrukcie je vyrobená z tenkého skla. V zásade sa bude používať sodnovápenatokremičité sklo. Pri cieľovej hrúbke < 2 mm dosahuje proces tepelného popúšťania súčasný technologický limit. Chemicky spevnené hlinitokremičitanové sklo možno považovať za obzvlášť vhodné, ak sa vyžaduje vyššia pevnosť z dôvodu konštrukcie (napr. panely ohýbané za studena) alebo použitia [12]. Funkcie priepustnosti svetla a ochrany životného prostredia budú doplnené dobrými mechanickými vlastnosťami, ako je dobrá odolnosť proti poškriabaniu a relatívne vysoký Youngov modul v porovnaní s inými materiálmi používanými v kompozitoch. Kvôli obmedzenej veľkosti dostupnej pre chemicky tvrdené tenké sklo boli na vytvorenie prvého veľkého prototypu použité panely z plne tvrdeného 3 mm hrubého sodnovápenatého skla.
Nosná konštrukcia je považovaná za tvarovú časť kompozitného panelu. Ovplyvňuje takmer všetky atribúty. Vďaka aditívnej metóde výroby je zároveň centrom digitálneho výrobného procesu. Termoplasty sa spracovávajú tavením. To umožňuje použiť veľké množstvo rôznych polymérov pre špecifické aplikácie. Topológia hlavných prvkov môže byť navrhnutá s rôznym dôrazom v závislosti od ich funkcie. Na tento účel možno tvarový dizajn rozdeliť do nasledujúcich štyroch dizajnových kategórií: konštrukčný dizajn, funkčný dizajn, estetický dizajn a výrobný dizajn. Každá kategória môže mať rôzne účely, čo môže viesť k rôznym topológiám.
Počas predbežnej štúdie boli niektoré z hlavných návrhov testované na vhodnosť ich návrhu [11]. Z mechanického hľadiska je obzvlášť účinný trojperiodický minimálny povrch jadra gyroskopu. To poskytuje vysokú mechanickú odolnosť proti ohybu pri relatívne nízkej spotrebe materiálu. Okrem bunkových základných štruktúr reprodukovaných v povrchových oblastiach môže byť topológia generovaná aj inými technikami hľadania tvaru. Generovanie napäťovej línie je jedným z možných spôsobov optimalizácie tuhosti pri čo najnižšej hmotnosti [13]. Avšak voštinová štruktúra, široko používaná v sendvičových konštrukciách, bola použitá ako východiskový bod pre vývoj výrobnej linky. Táto základná forma vedie k rýchlemu pokroku vo výrobe, najmä vďaka jednoduchému programovaniu dráhy nástroja. Jeho správanie v kompozitných paneloch bolo rozsiahlo študované [14, 15, 16] a vzhľad je možné meniť mnohými spôsobmi prostredníctvom parametrizácie a možno ho použiť aj na počiatočné optimalizačné koncepty.
Existuje mnoho termoplastických polymérov, ktoré je potrebné zvážiť pri výbere polyméru v závislosti od použitého procesu vytláčania. Počiatočné predbežné štúdie materiálov malého rozsahu znížili počet polymérov považovaných za vhodné na použitie vo fasádach [11]. Polykarbonát (PC) je perspektívny vďaka svojej tepelnej odolnosti, UV odolnosti a vysokej tuhosti. Kvôli dodatočným technickým a finančným investíciám potrebným na spracovanie polykarbonátu sa na výrobu prvých prototypov použil etylénglykolom modifikovaný polyetyléntereftalát (PETG). Obzvlášť ľahko sa spracováva pri relatívne nízkych teplotách s nízkym rizikom tepelného namáhania a deformácie komponentov. Tu zobrazený prototyp je vyrobený z recyklovaného PETG s názvom PIPG. Materiál bol predbežne sušený pri 60°C po dobu aspoň 4 h a spracovaný do granúl s obsahom sklených vlákien 20 % [17].
Lepidlo poskytuje pevné spojenie medzi štruktúrou polymérového jadra a tenkým skleneným vekom. Keď sú kompozitné panely vystavené zaťaženiu ohybom, lepené spoje sú vystavené šmykovému namáhaniu. Preto sa uprednostňuje tvrdšie lepidlo, ktoré môže znížiť priehyb. Číre lepidlá tiež pomáhajú zabezpečiť vysokú vizuálnu kvalitu pri lepení na číre sklo. Ďalším dôležitým faktorom pri výbere lepidla je vyrobiteľnosť a integrácia do automatizovaných výrobných procesov. Lepidlá vytvrdzované UV žiarením s flexibilným časom vytvrdzovania môžu výrazne zjednodušiť umiestnenie krycích vrstiev. Na základe predbežných testov bola testovaná séria lepidiel z hľadiska ich vhodnosti pre tenké sklenené kompozitné panely [18]. Loctite® AA 3345™ UV vytvrditeľný akrylát [19] sa ukázal ako obzvlášť vhodný pre nasledujúci proces.
Aby sa využili možnosti aditívnej výroby a flexibilita tenkého skla, celý proces bol navrhnutý tak, aby fungoval digitálne a parametricky. Grasshopper sa používa ako vizuálne programovacie rozhranie, pričom sa vyhýba rozhraniam medzi rôznymi programami. Všetky odbory (strojárstvo, strojárstvo a výroba) sa budú navzájom podporovať a dopĺňať v jednom súbore s priamou spätnou väzbou od operátora. V tejto fáze štúdie je pracovný postup stále vo vývoji a sleduje vzor znázornený na obrázku 2. Rôzne ciele možno zoskupiť do kategórií v rámci disciplín.
Hoci výroba sendvičových panelov v tomto dokumente bola automatizovaná s užívateľsky orientovaným dizajnom a prípravou výroby, integrácia a validácia jednotlivých inžinierskych nástrojov nebola plne realizovaná. Na základe parametrického návrhu geometrie fasády je možné navrhnúť vonkajší plášť budovy na makroúrovni (fasáda) a mezo (fasádne panely). V druhom kroku je cieľom slučky inžinierskej spätnej väzby vyhodnotiť bezpečnosť a vhodnosť, ako aj životaschopnosť výroby obvodových stien. Nakoniec sú výsledné panely pripravené na digitálnu výrobu. Program spracuje vyvinutú jadrovú štruktúru v strojovo čitateľnom G-kóde a pripraví ju na aditívnu výrobu, subtraktívne následné spracovanie a lepenie skla.
Proces navrhovania sa zvažuje na dvoch rôznych úrovniach. Okrem toho, že makro tvar fasád ovplyvňuje geometriu každého kompozitného panelu, môže byť topológia samotného jadra navrhnutá aj na mezo úrovni. Pri použití parametrického modelu fasády možno tvar a vzhľad ovplyvniť ukážkovými časťami fasády pomocou posuvníkov znázornených na obrázku 3. Celkový povrch teda pozostáva z užívateľom definovaného škálovateľného povrchu, ktorý je možné deformovať pomocou bodových atraktorov a upravovať pomocou špecifikuje minimálny a maximálny stupeň deformácie. To poskytuje vysoký stupeň flexibility pri navrhovaní obvodových plášťov budov. Tento stupeň voľnosti je však obmedzený technickými a výrobnými obmedzeniami, ktoré potom prehrávajú algoritmy v inžinierskej časti.
Okrem výšky a šírky celej fasády je určené členenie fasádnych panelov. Jednotlivé fasádne panely sa dajú presnejšie definovať na mezo úrovni. To ovplyvňuje topológiu samotnej štruktúry jadra, ako aj hrúbku skla. Tieto dve premenné, ako aj veľkosť panelu, majú dôležitý vzťah so strojárskym modelovaním. Návrh a vývoj celej makro a mezo úrovne je možné realizovať z hľadiska optimalizácie v štyroch kategóriách štruktúry, funkcie, estetiky a dizajnu produktu. Používatelia môžu vytvoriť celkový vzhľad a dojem z obvodového plášťa budovy uprednostnením týchto oblastí.
Projekt je podporovaný inžinierskou časťou pomocou spätnej väzby. Na tento účel sú ciele a okrajové podmienky definované v kategórii optimalizácie znázornenej na obr. 2. Poskytujú koridory, ktoré sú technicky realizovateľné, fyzikálne v poriadku a z inžinierskeho hľadiska bezpečné na výstavbu, čo má významný vplyv na projektovanie. Toto je východiskový bod pre rôzne nástroje, ktoré možno integrovať priamo do programu Grasshopper. Pri ďalších výskumoch možno mechanické vlastnosti vyhodnotiť pomocou analýzy konečných prvkov (FEM) alebo dokonca analytických výpočtov.
Okrem toho štúdie slnečného žiarenia, analýza priamej viditeľnosti a modelovanie trvania slnečného svitu môžu vyhodnotiť vplyv kompozitných panelov na stavebnú fyziku. Je dôležité príliš neobmedzovať rýchlosť, efektívnosť a flexibilitu procesu návrhu. Výsledky získané v tomto dokumente boli navrhnuté tak, aby poskytovali dodatočné usmernenia a podporu procesu navrhovania a nenahrádzajú podrobnú analýzu a odôvodnenie na konci procesu navrhovania. Tento strategický plán vytvára základ pre ďalší kategorický výskum s preukázanými výsledkami. Napríklad o mechanickom správaní kompozitných panelov pri rôznych podmienkach zaťaženia a podpory je zatiaľ známe len málo.
Po dokončení návrhu a inžinierstva je model pripravený na digitálnu výrobu. Výrobný proces je rozdelený do štyroch čiastkových etáp (obr. 4). Po prvé, hlavná konštrukcia bola aditívne vyrobená pomocou rozsiahleho robotického zariadenia na 3D tlač. Povrch sa potom frézuje pomocou rovnakého robotického systému, aby sa zlepšila kvalita povrchu potrebná na dobré spojenie. Po vyfrézovaní sa lepidlo nanáša pozdĺž štruktúry jadra pomocou špeciálne navrhnutého dávkovacieho systému namontovaného na rovnakom robotickom systéme, ktorý sa používa na proces tlače a frézovania. Nakoniec sa sklo nainštaluje a položí pred UV vytvrdzovaním lepeného spoja.
Pre aditívnu výrobu musí byť definovaná topológia základnej štruktúry preložená do CNC strojového jazyka (GCode). Pre rovnomerné a vysokokvalitné výsledky je cieľom vytlačiť každú vrstvu bez toho, aby tryska extrudéra spadla. Tým sa zabráni nežiaducemu pretlaku na začiatku a konci pohybu. Preto bol pre použitý vzor bunky napísaný skript na generovanie súvislej trajektórie. Tým sa vytvorí parametrická súvislá krivka s rovnakým počiatočným a koncovým bodom, ktorá sa prispôsobí zvolenej veľkosti panelu, počtu a veľkosti plástov podľa návrhu. Okrem toho je možné pred položením čiar špecifikovať parametre, ako je šírka čiary a výška čiary, aby sa dosiahla požadovaná výška hlavnej konštrukcie. Ďalším krokom v skripte je napísanie príkazov G-kódu.
To sa vykonáva zaznamenávaním súradníc každého bodu na čiare s dodatočnými informáciami o stroji, ako sú ďalšie relevantné osi pre polohovanie a riadenie objemu vytláčania. Výsledný G-kód je potom možné preniesť do výrobných strojov. V tomto príklade sa rameno priemyselného robota Comau NJ165 na lineárnej koľajnici používa na ovládanie extrudéra CEAD E25 podľa G-kódu (obrázok 5). Prvý prototyp využíval postindustriálny PETG s obsahom sklenených vlákien 20 %. Z hľadiska mechanického testovania je cieľová veľkosť blízka veľkosti stavebného priemyslu, takže rozmery hlavného prvku sú 1983 × 876 mm so 6 × 4 plástovými bunkami. 6 mm a 2 mm vysoké.
Predbežné testy ukázali, že existuje rozdiel v adhéznej sile medzi lepidlom a živicou pre 3D tlač v závislosti od jej povrchových vlastností. Na tento účel sa skúšobné vzorky aditívnej výroby prilepia alebo prilaminujú na sklo a podrobia sa ťahu alebo šmyku. Pri predbežnom mechanickom opracovaní povrchu polyméru frézovaním výrazne vzrástla pevnosť (obr. 6). Okrem toho zlepšuje rovinnosť jadra a zabraňuje defektom spôsobeným nadmernou extrúziou. Tu použitý akrylát LOCTITE® AA 3345™ [19] vytvrditeľný UV žiarením je citlivý na podmienky spracovania.
To často vedie k vyššej štandardnej odchýlke vzoriek na testovanie väzby. Po aditívnej výrobe bola jadrová štruktúra vyfrézovaná na profilovej fréze. G-kód potrebný pre túto operáciu sa automaticky generuje z dráh nástroja už vytvorených pre proces 3D tlače. Štruktúru jadra je potrebné vytlačiť o niečo vyššie, ako je zamýšľaná výška jadra. V tomto príklade bola štruktúra jadra s hrúbkou 18 mm znížená na 14 mm.
Táto časť výrobného procesu je veľkou výzvou pre plnú automatizáciu. Použitie lepidiel kladie vysoké nároky na presnosť a precíznosť strojov. Pneumatický dávkovací systém sa používa na nanášanie lepidla pozdĺž štruktúry jadra. Je vedený robotom pozdĺž frézovacej plochy v súlade s definovanou dráhou nástroja. Ukazuje sa, že nahradenie tradičného dávkovacieho hrotu štetcom je obzvlášť výhodné. To umožňuje, aby sa lepidlá s nízkou viskozitou dávkovali rovnomerne podľa objemu. Toto množstvo je určené tlakom v systéme a rýchlosťou robota. Pre väčšiu presnosť a vysokú kvalitu lepenia sa uprednostňujú nízke rýchlosti posuvu 200 až 800 mm/min.
Akrylát s priemernou viskozitou 1500 mPa*s bol nanesený na stenu polymérneho jadra šírky 6 mm pomocou dávkovacej kefy s vnútorným priemerom 0,84 mm a šírkou štetca 5 pri aplikovanom tlaku 0,3 až 0,6 mbar. mm. Lepidlo sa potom rozotrie po povrchu podkladu a vďaka povrchovému napätiu vytvorí vrstvu s hrúbkou 1 mm. Presné určenie hrúbky lepidla zatiaľ nie je možné automatizovať. Trvanie procesu je dôležitým kritériom pre výber lepidla. Tu vyrobená jadrová konštrukcia má dĺžku dráhy 26 m, a teda čas aplikácie 30 až 60 minút.
Po nanesení lepidla nainštalujte okno s dvojitým zasklením na miesto. Tenké sklo je vzhľadom na malú hrúbku materiálu už silne deformované vlastnou váhou a preto musí byť umiestnené čo najrovnomernejšie. Na to sa používajú pneumatické sklenené prísavky s časovo rozptýlenými prísavkami. Umiestňuje sa na súčiastku pomocou žeriavu a v budúcnosti môže byť umiestňovaný priamo pomocou robotov. Sklenená doska sa umiestnila rovnobežne s povrchom jadra na vrstvu lepidla. Prídavná sklenená doska (hrúbka 4 až 6 mm) zvyšuje tlak na ňu vďaka nižšej hmotnosti.
Výsledkom by malo byť úplné zmáčanie povrchu skla pozdĺž štruktúry jadra, ako možno posúdiť z počiatočnej vizuálnej kontroly viditeľných farebných rozdielov. Proces aplikácie môže mať tiež významný vplyv na kvalitu finálneho lepeného spoja. Po zlepení sa sklenené panely nesmú posúvať, pretože to bude mať za následok viditeľné zvyšky lepidla na skle a chyby v skutočnej vrstve lepidla. Nakoniec sa lepidlo vytvrdí UV žiarením pri vlnovej dĺžke 365 nm. K tomu sa po celej lepiacej ploche postupne 60 s prechádza UV lampou s hustotou výkonu 6 mW/cm2.
Koncept ľahkých a prispôsobiteľných tenkých sklenených kompozitných panelov s aditívne vyrobeným polymérovým jadrom, o ktorých sa tu diskutuje, je určený na použitie na budúcich fasádach. Kompozitné panely teda musia spĺňať platné normy a spĺňať požiadavky na prevádzkové medzné stavy (SLS), medzné stavy medze pevnosti (ULS) a bezpečnostné požiadavky. Preto musia byť kompozitné panely bezpečné, pevné a dostatočne tuhé, aby vydržali zaťaženie (napríklad povrchové zaťaženie) bez toho, aby sa zlomili alebo nadmerne deformovali. Aby sa preskúmala mechanická odozva predtým vyrobených tenkých sklenených kompozitných panelov (ako je opísané v časti Mechanické testovanie), boli podrobené testom zaťaženia vetrom, ako je opísané v ďalšej podkapitole.
Účelom fyzikálneho testovania je študovať mechanické vlastnosti kompozitných panelov vonkajších stien pri zaťažení vetrom. Na tento účel boli vyrobené kompozitné panely pozostávajúce z 3 mm hrubého plne tvrdeného skleneného vonkajšieho plátu a 14 mm hrubého aditívne vyrobeného jadra (z PIPG-GF20) ako je opísané vyššie s použitím lepidla Henkel Loctite AA 3345 (obr. 7 vľavo). )). . Kompozitné panely sú potom pripevnené k drevenému nosnému rámu pomocou kovových skrutiek, ktoré sú zaskrutkované cez drevený rám a do strán hlavnej konštrukcie. Po obvode panelu bolo umiestnených 30 skrutiek (pozri čiernu čiaru vľavo na obr. 7), aby sa čo najvernejšie reprodukovali podmienky lineárnej podpory po obvode.
Skúšobný rám bol potom utesnený k vonkajšej testovacej stene pôsobením tlaku vetra alebo podtlaku vetra za kompozitným panelom (obrázok 7, vpravo hore). Na zaznamenávanie údajov sa používa digitálny korelačný systém (DIC). Na tento účel je vonkajšie sklo kompozitného panelu pokryté tenkou elastickou fóliou, ktorá je na ňom vytlačená s perleťovým šumovým vzorom (obr. 7, vpravo dole). DIC používa dve kamery na zaznamenávanie relatívnej polohy všetkých meracích bodov na celom povrchu skla. Zaznamenali sa dva obrázky za sekundu a použili sa na vyhodnotenie. Tlak v komore, obklopenej kompozitnými panelmi, sa zvyšuje pomocou ventilátora v krokoch po 1000 Pa až do maximálnej hodnoty 4000 Pa, takže každá úroveň zaťaženia sa udržiava 10 sekúnd.
Fyzikálne nastavenie experimentu predstavuje aj numerický model s rovnakými geometrickými rozmermi. Na to slúži numerický program Ansys Mechanical. Štruktúra jadra bola geometrická sieť s použitím šesťhranných prvkov SOLID 185 s 20 mm stranami pre sklo a štvorstenných prvkov SOLID 187 so stranami 3 mm. Pre zjednodušenie modelovania sa v tejto fáze štúdie predpokladá, že použitý akrylát je ideálne tuhý a tenký a je definovaný ako pevné spojenie medzi sklom a materiálom jadra.
Kompozitné panely sú upevnené v priamej línii mimo jadra a sklenený panel je vystavený povrchovému tlakovému zaťaženiu 4000 Pa. Aj keď sa pri modelovaní brali do úvahy geometrické nelinearity, v tejto fáze boli použité iba lineárne materiálové modely. štúdium. Aj keď je to platný predpoklad pre lineárnu elastickú odozvu skla (E = 70 000 MPa), podľa údajového listu výrobcu (viskoelastického) polymérneho materiálu jadra [17] bola použitá lineárna tuhosť E = 8245 MPa v r. súčasná analýza by sa mala dôkladne zvážiť a bude sa skúmať v budúcom výskume.
Tu prezentované výsledky sú hodnotené hlavne pre deformácie pri maximálnom zaťažení vetrom do 4000 Pa (=ˆ4kN/m2). Na tento účel boli snímky zaznamenané metódou DIC porovnané s výsledkami numerickej simulácie (FEM) (obr. 8 vpravo dole). Zatiaľ čo ideálne celkové pretvorenie 0 mm s „ideálnymi“ lineárnymi podperami v okrajovej oblasti (tj obvod panela) je vypočítané v MKP, pri hodnotení DIC je potrebné vziať do úvahy fyzické posunutie okrajovej oblasti. Je to spôsobené toleranciami inštalácie a deformáciou skúšobného rámu a jeho tesnení. Na porovnanie sa priemerné posunutie v okrajovej oblasti (prerušovaná biela čiara na obr. 8) odpočítalo od maximálneho posunutia v strede panelu. Posuny určené pomocou DIC a FEA sú porovnané v tabuľke 1 a sú graficky znázornené v ľavom hornom rohu obr.
Štyri aplikované úrovne zaťaženia experimentálneho modelu boli použité ako kontrolné body na vyhodnotenie a vyhodnotené v MKP. Maximálny stredový posun kompozitnej dosky v nezaťaženom stave bol stanovený meraním DIC pri úrovni zaťaženia 4000 Pa pri 2,18 mm. Zatiaľ čo posuny FEA pri nižších zaťaženiach (do 2000 Pa) môžu stále presne reprodukovať experimentálne hodnoty, nelineárne zvýšenie napätia pri vyšších zaťaženiach nemožno presne vypočítať.
Štúdie však ukázali, že kompozitné panely vydržia extrémne zaťaženie vetrom. Vyniká najmä vysokou tuhosťou ľahkých panelov. Použitím analytických výpočtov založených na lineárnej teórii Kirchhoffových dosiek [20] zodpovedá deformácii 2,18 mm pri 4000 Pa deformácii jednej sklenenej dosky s hrúbkou 12 mm za rovnakých okrajových podmienok. Výsledkom je, že hrúbka skla (ktorá je pri výrobe energeticky náročná) v tomto kompozitnom paneli môže byť znížená na sklo 2 x 3 mm, čo vedie k úspore materiálu 50 %. Zníženie celkovej hmotnosti panelu poskytuje ďalšie výhody z hľadiska montáže. Zatiaľ čo s 30 kg kompozitným panelom môžu ľahko manipulovať dvaja ľudia, tradičný 50 kg sklenený panel vyžaduje technickú podporu, aby sa mohol bezpečne pohybovať. Aby bolo možné presne reprezentovať mechanické správanie, v budúcich štúdiách budú potrebné podrobnejšie numerické modely. Analýza konečných prvkov môže byť ďalej vylepšená pomocou rozsiahlejších modelov nelineárnych materiálov pre polyméry a modelovanie adhéznych väzieb.
Rozvoj a zlepšovanie digitálnych procesov zohráva kľúčovú úlohu pri zlepšovaní ekonomickej a environmentálnej výkonnosti v stavebníctve. Okrem toho použitie tenkého skla vo fasádach sľubuje úsporu energie a zdrojov a otvára nové možnosti pre architektúru. Vzhľadom na malú hrúbku skla sú však potrebné nové konštrukčné riešenia, ktoré sklo dostatočne vystužujú. Štúdia prezentovaná v tomto článku preto skúma koncepciu kompozitných panelov vyrobených z tenkého skla a viazaných vystužených 3D tlačených polymérových jadier. Celý výrobný proces od návrhu až po výrobu bol digitalizovaný a automatizovaný. S pomocou Grasshopper bol vyvinutý pracovný postup zo súboru do továrne, ktorý umožňuje použitie tenkých sklenených kompozitných panelov na budúcich fasádach.
Výroba prvého prototypu demonštrovala realizovateľnosť a výzvy robotickej výroby. Zatiaľ čo aditívna a subtraktívna výroba sú už dobre integrované, plne automatizované nanášanie a montáž lepidiel predstavuje ďalšie výzvy, ktorým sa treba venovať v budúcom výskume. Prostredníctvom predbežného mechanického testovania a súvisiaceho modelovania výskumu konečných prvkov sa ukázalo, že ľahké a tenké panely zo sklenených vlákien poskytujú dostatočnú ohybovú tuhosť pre ich zamýšľané fasádne aplikácie, a to aj pri extrémnych podmienkach zaťaženia vetrom. Prebiehajúci výskum autorov ďalej preskúma potenciál digitálne vyrobených tenkých sklenených kompozitných panelov pre fasádne aplikácie a preukáže ich účinnosť.
Autori by sa chceli poďakovať všetkým podporovateľom spojeným s touto výskumnou prácou. Vďaka programu financovania EFRE SAB financovaného z fondov Európskej únie formou grantu č poskytnúť finančné prostriedky na nákup manipulátora s extrudérom a frézovacím zariadením. 100537005. Okrem toho bola AiF-ZIM ocenená za financovanie výskumného projektu Glasfur3D (číslo grantu ZF4123725WZ9) v spolupráci s Glaswerkstätten Glas Ahne, ktorá poskytla významnú podporu tejto výskumnej práci. Nakoniec, laboratórium Friedricha Siemens a jeho spolupracovníci, najmä Felix Hegewald a študentský asistent Jonathan Holzerr, oceňujú technickú podporu a implementáciu výroby a fyzického testovania, ktoré tvorili základ tohto článku.
Čas uverejnenia: august-04-2023