Uporaba tankega stekla obljublja izpolnjevanje različnih nalog v gradbeništvu. Poleg okoljskih koristi učinkovitejše rabe virov lahko arhitekti uporabijo tanko steklo za doseganje novih stopenj svobode oblikovanja. Na podlagi teorije sendviča je mogoče fleksibilno tanko steklo kombinirati s 3D-natisnjenim odprtoceličnim polimernim jedrom, da se oblikuje zelo togo in lahko
kompozitni elementi. Ta članek predstavlja raziskovalni poskus digitalne izdelave fasadnih plošč iz tankega stekla in kompozita z uporabo industrijskih robotov. Pojasnjuje koncept digitalizacije delovnih tokov od tovarne do tovarne, vključno z računalniško podprtim načrtovanjem (CAD), inženiringom (CAE) in proizvodnjo (CAM). Študija prikazuje postopek parametričnega načrtovanja, ki omogoča brezhibno integracijo orodij za digitalno analizo.
Poleg tega ta postopek prikazuje potencial in izzive digitalne proizvodnje tankih steklenih kompozitnih plošč. Tukaj so razloženi nekateri proizvodni koraki, ki jih izvaja industrijska robotska roka, kot so aditivna proizvodnja velikega formata, strojna obdelava površin, lepljenje in sestavljanje. Končno je bilo prvič doseženo globoko razumevanje mehanskih lastnosti kompozitnih plošč z eksperimentalnimi in numeričnimi študijami ter oceno mehanskih lastnosti kompozitnih plošč pod površinsko obremenitvijo. Celoten koncept digitalnega oblikovanja in delovnega toka izdelave ter rezultati eksperimentalnih študij zagotavljajo osnovo za nadaljnjo integracijo metod za določanje oblik in analize ter za izvajanje obsežnih mehanističnih študij v prihodnjih študijah.
Digitalne proizvodne metode nam omogočajo izboljšanje proizvodnje s transformacijo tradicionalnih metod in zagotavljanjem novih možnosti oblikovanja [1]. Tradicionalne gradbene metode se nagibajo k pretirani uporabi materialov v smislu stroškov, osnovne geometrije in varnosti. S selitvijo gradnje v tovarne, uporabo modularne montaže in robotike za implementacijo novih metod načrtovanja je mogoče materiale uporabiti učinkovito brez ogrožanja varnosti. Digitalna proizvodnja nam omogoča razširitev naše oblikovalske domišljije za ustvarjanje bolj raznolikih, učinkovitih in ambicioznih geometrijskih oblik. Medtem ko so procesi načrtovanja in izračunavanja večinoma digitalizirani, se proizvodnja in montaža še vedno večinoma izvajata ročno na tradicionalne načine. Digitalni proizvodni procesi postajajo vse bolj pomembni za obvladovanje vse bolj zapletenih struktur proste oblike. Želja po svobodi in oblikovalski fleksibilnosti, predvsem pri fasadah, vztrajno narašča. Fasade proste oblike vam poleg vizualnega učinka omogočajo tudi ustvarjanje učinkovitejših struktur, na primer z uporabo membranskih učinkov [2]. Poleg tega je velik potencial digitalnih proizvodnih procesov v njihovi učinkovitosti in možnosti optimizacije oblikovanja.
Ta članek raziskuje, kako je mogoče uporabiti digitalno tehnologijo za načrtovanje in izdelavo inovativne kompozitne fasadne plošče, sestavljene iz aditivno izdelanega polimernega jedra in lepljenih tankih steklenih zunanjih plošč. Poleg novih arhitekturnih možnosti, povezanih z uporabo tankega stekla, so bili okoljski in ekonomski kriteriji pomembna motivacija za uporabo manj materiala za gradnjo ovoja stavbe. Zaradi podnebnih sprememb, pomanjkanja virov in naraščajočih cen energije v prihodnosti je treba steklo uporabljati pametneje. Uporaba tankega, manj kot 2 mm debelega stekla iz elektronske industrije naredi fasado lahko in zmanjša porabo surovin.
Zaradi visoke fleksibilnosti tankega stekla odpira nove možnosti za arhitekturne aplikacije in hkrati postavlja nove inženirske izzive [3,4,5,6]. Medtem ko je trenutna izvedba fasadnih projektov s tankim steklom omejena, se tanko steklo vedno bolj uporablja v gradbeništvu in arhitekturnih študijah. Zaradi visoke sposobnosti tankega stekla za elastično deformacijo, njegova uporaba v fasadah zahteva ojačane konstrukcijske rešitve [7]. Poleg izkoriščanja membranskega učinka zaradi ukrivljene geometrije [8] lahko vztrajnostni moment povečamo tudi z večplastno strukturo, ki jo sestavljata polimerno jedro in lepljena tanka steklena zunanja plast. Ta pristop je obetaven zaradi uporabe trdega prozornega polikarbonatnega jedra, ki je manj gosto kot steklo. Poleg pozitivnega mehanskega delovanja so bili izpolnjeni dodatni varnostni kriteriji [9].
Pristop v naslednji študiji temelji na istem konceptu, vendar z uporabo aditivno izdelanega prosojnega jedra z odprtimi porami. To zagotavlja višjo stopnjo geometrijske svobode in možnosti oblikovanja ter integracijo fizičnih funkcij zgradbe [10]. Takšne kompozitne plošče so se izkazale za posebej učinkovite pri mehanskem testiranju [11] in obljubljajo zmanjšanje količine uporabljenega stekla do 80 %. S tem ne boste le zmanjšali potrebnih sredstev, temveč tudi znatno zmanjšali težo panelov in s tem povečali učinkovitost podkonstrukcije. Toda nove oblike gradnje zahtevajo nove oblike produkcije. Učinkovite strukture zahtevajo učinkovite proizvodne procese. Digitalno oblikovanje prispeva k digitalni proizvodnji. Ta članek nadaljuje avtorjevo predhodno raziskavo s predstavitvijo študije digitalnega proizvodnega procesa tankih steklenih kompozitnih plošč za industrijske robote. Poudarek je na digitalizaciji delovnega toka od datoteke do tovarne prvih prototipov velikega formata za povečanje avtomatizacije proizvodnega procesa.
Kompozitna plošča (slika 1) je sestavljena iz dveh tankih steklenih prekrivk, ovitih okoli AM polimernega jedra. Oba dela sta povezana z lepilom. Namen te zasnove je čim učinkovitejša porazdelitev obremenitve po celotnem odseku. Upogibni momenti ustvarjajo običajne napetosti v lupini. Bočne sile povzročajo strižne napetosti v jedru in lepilnih spojih.
Zunanja plast sendvič strukture je izdelana iz tankega stekla. Načeloma bo uporabljeno natrijevo silikatno steklo. Pri ciljni debelini < 2 mm dosega proces termičnega popuščanja trenutno tehnološko mejo. Kemično ojačano aluminosilikatno steklo se lahko šteje za posebno primerno, če je zaradi zasnove (npr. hladno prepognjene plošče) ali uporabe potrebna večja trdnost [12]. Prepustnost svetlobe in varovanje okolja bodo dopolnjevale dobre mehanske lastnosti, kot sta dobra odpornost na praske in razmeroma visok Youngov modul v primerjavi z drugimi materiali, ki se uporabljajo v kompozitih. Zaradi omejene velikosti, ki je na voljo za kemično kaljeno tanko steklo, so bile za izdelavo prvega obsežnega prototipa uporabljene plošče iz popolnoma kaljenega 3 mm debelega natrijsko-apnenega stekla.
Nosilna konstrukcija se obravnava kot oblikovani del kompozitne plošče. To vpliva na skoraj vse lastnosti. Zahvaljujoč aditivni metodi izdelave je tudi središče digitalnega proizvodnega procesa. Termoplasti se obdelujejo s taljenjem. To omogoča uporabo velikega števila različnih polimerov za posebne namene. Topologijo glavnih elementov je mogoče oblikovati z različnimi poudarki glede na njihovo funkcijo. V ta namen lahko oblikovanje oblik razdelimo na naslednje štiri kategorije oblikovanja: konstrukcijsko oblikovanje, funkcionalno oblikovanje, estetsko oblikovanje in proizvodno oblikovanje. Vsaka kategorija ima lahko različne namene, kar lahko vodi do različnih topologij.
Med predhodno študijo so nekatere glavne zasnove testirali glede njihove ustreznosti [11]. Z mehanskega vidika je triperiodna najmanjša površina jedra žiroskopa še posebej učinkovita. To zagotavlja visoko mehansko odpornost na upogibanje ob relativno nizki porabi materiala. Poleg celičnih osnovnih struktur, reproduciranih v površinskih regijah, je mogoče topologijo ustvariti tudi z drugimi tehnikami iskanja oblike. Generiranje napetostnih črt je eden od možnih načinov za optimizacijo togosti pri najmanjši možni teži [13]. Vendar pa je bila struktura satja, ki se pogosto uporablja v sendvič konstrukcijah, uporabljena kot izhodišče za razvoj proizvodne linije. Ta osnovna oblika vodi do hitrega napredka v proizvodnji, zlasti z enostavnim programiranjem poti orodja. Njegovo obnašanje v kompozitnih ploščah je bilo obsežno raziskano [14, 15, 16], videz pa je mogoče spremeniti na številne načine s parametriranjem in ga je mogoče uporabiti tudi za začetne koncepte optimizacije.
Pri izbiri polimera je treba upoštevati veliko termoplastičnih polimerov, odvisno od uporabljenega postopka ekstrudiranja. Začetne predhodne študije materialov majhnega obsega so zmanjšale število polimerov, ki veljajo za primerne za uporabo v fasadah [11]. Polikarbonat (PC) je obetaven zaradi svoje toplotne odpornosti, UV odpornosti in visoke togosti. Zaradi dodatnih tehničnih in finančnih naložb, potrebnih za predelavo polikarbonata, je bil za izdelavo prvih prototipov uporabljen polietilen tereftalat, modificiran z etilen glikolom (PETG). Še posebej enostavno ga je obdelovati pri relativno nizkih temperaturah z majhnim tveganjem toplotne obremenitve in deformacije komponent. Tukaj prikazani prototip je narejen iz recikliranega PETG, imenovanega PIPG. Material je bil predhodno sušen pri 60 °C vsaj 4 ure in predelan v granule z vsebnostjo steklenih vlaken 20 % [17].
Lepilo zagotavlja močno vez med strukturo polimernega jedra in tankim steklenim pokrovom. Ko so kompozitne plošče izpostavljene upogibnim obremenitvam, so lepilni spoji izpostavljeni strižnim obremenitvam. Zato je prednostno trše lepilo, ki lahko zmanjša upogib. Prozorna lepila prav tako pomagajo zagotoviti visoko vizualno kakovost pri lepljenju na prozorno steklo. Drug pomemben dejavnik pri izbiri lepila je možnost izdelave in integracija v avtomatizirane proizvodne procese. Tu lahko lepila, ki se utrjujejo z UV žarki, s prilagodljivimi časi strjevanja močno poenostavijo pozicioniranje prekrivnih slojev. Na podlagi preliminarnih testov je bila serija lepil testirana glede njihove primernosti za tanke steklene kompozitne plošče [18]. Loctite® AA 3345™ UV strdljiv akrilat [19] se je izkazal za posebej primernega za naslednji postopek.
Da bi izkoristili možnosti aditivne proizvodnje in fleksibilnost tankega stekla, je bil celoten proces zasnovan tako, da deluje digitalno in parametrično. Grasshopper se uporablja kot vizualni programski vmesnik, pri čemer se izogiba vmesnikom med različnimi programi. Vse discipline (inženiring, inženiring in proizvodnja) se bodo podpirale in dopolnjevale v eni datoteki z neposrednimi povratnimi informacijami operaterja. Na tej stopnji študije je potek dela še v razvoju in sledi vzorcu, prikazanem na sliki 2. Različne cilje je mogoče združiti v kategorije znotraj disciplin.
Čeprav je bila proizvodnja sendvič plošč v tem dokumentu avtomatizirana z na uporabnika osredotočenim načrtovanjem in pripravo izdelave, integracija in validacija posameznih inženirskih orodij nista bili v celoti realizirani. Na podlagi parametrične zasnove geometrije fasade je možno oblikovati zunanji ovoj objekta na makro nivoju (fasada) in mezo (fasadni paneli). V drugem koraku je namen inženirske povratne zanke oceniti varnost in primernost ter izvedljivost izdelave zavese. Končno so nastale plošče pripravljene za digitalno proizvodnjo. Program obdela razvito strukturo jedra v strojno berljivi G-kodi in jo pripravi za aditivno proizvodnjo, subtraktivno naknadno obdelavo in lepljenje stekla.
Proces oblikovanja je obravnavan na dveh različnih ravneh. Poleg tega, da makro oblika fasade vpliva na geometrijo posamezne kompozitne plošče, se lahko topologija samega jedra oblikuje tudi na mezo ravni. Pri uporabi parametričnega modela fasade lahko na obliko in videz vplivate z vzorčnimi odseki fasade z uporabo drsnikov, prikazanih na sliki 3. Tako je celotna površina sestavljena iz uporabniško definirane skalabilne površine, ki jo je mogoče deformirati s pomočjo točkovnih atraktorjev in spreminjati z z določitvijo najmanjše in največje stopnje deformacije. To zagotavlja visoko stopnjo fleksibilnosti pri oblikovanju ovoja stavbe. Vendar je ta stopnja svobode omejena s tehničnimi in proizvodnimi omejitvami, ki jih nato preigrajo algoritmi v inženirskem delu.
Poleg višine in širine celotne fasade je določena tudi razdelitev fasadnih plošč. Posamezne fasadne plošče lahko natančneje opredelimo na mezoravni. To vpliva na topologijo same jedrne strukture in tudi na debelino stekla. Ti dve spremenljivki, kot tudi velikost plošče, so pomembno povezani z modeliranjem strojništva. Zasnova in razvoj celotne makro in mezo ravni se lahko izvajata v smislu optimizacije v štirih kategorijah strukture, funkcije, estetike in oblikovanja izdelka. Uporabniki lahko razvijejo celoten videz in občutek ovoja stavbe tako, da tem področjem dajo prednost.
Projekt je podprt z inženirskim delom s pomočjo povratne zanke. V ta namen so cilji in mejni pogoji opredeljeni v kategoriji optimizacije, prikazani na sliki 2. Zagotavljajo koridorje, ki so tehnično izvedljivi, fizično zanesljivi in varni za gradnjo z inženirskega vidika, kar pomembno vpliva na projektiranje. To je izhodišče za različna orodja, ki jih je mogoče integrirati neposredno v Grasshopper. V nadaljnjih preiskavah je mogoče mehanske lastnosti ovrednotiti z analizo končnih elementov (FEM) ali celo z analitičnimi izračuni.
Poleg tega lahko študije sončnega sevanja, analiza vidnega polja in modeliranje trajanja sončnega obsevanja ocenijo vpliv kompozitnih plošč na gradbeno fiziko. Pomembno je, da ne omejite preveč hitrosti, učinkovitosti in prilagodljivosti procesa načrtovanja. Kot taki so bili rezultati, pridobljeni tukaj, zasnovani za zagotavljanje dodatnih smernic in podpore procesu načrtovanja in niso nadomestilo za podrobno analizo in utemeljitev na koncu procesa načrtovanja. Ta strateški načrt postavlja temelje za nadaljnje kategorične raziskave za dokazane rezultate. Malo je na primer znanega o mehanskem obnašanju kompozitnih plošč pri različnih obremenitvah in podpornih pogojih.
Ko sta načrtovanje in inženiring končana, je model pripravljen za digitalno proizvodnjo. Proizvodni proces je razdeljen na štiri podstopnje (slika 4). Najprej je bila glavna struktura aditivno izdelana z uporabo obsežnega robotskega 3D-tiskalnika. Površino nato rezkamo z uporabo istega robotskega sistema, da izboljšamo kakovost površine, potrebno za dobro lepljenje. Po rezkanju se lepilo nanese vzdolž jedrne strukture s posebej zasnovanim dozirnim sistemom, nameščenim na istem robotskem sistemu, ki se uporablja za postopek tiskanja in rezkanja. Na koncu se steklo vgradi in položi pred UV utrjevanjem lepljenega spoja.
Za aditivno proizvodnjo je treba definirano topologijo osnovne strukture prevesti v strojni jezik CNC (GCode). Za enotne in visokokakovostne rezultate je cilj natisniti vsako plast, ne da bi šoba ekstruderja padla. To preprečuje neželen nadtlak na začetku in koncu gibanja. Zato je bil za uporabljen celični vzorec napisan skript za neprekinjeno generiranje trajektorije. To bo ustvarilo parametrično neprekinjeno polilinijo z enakimi začetnimi in končnimi točkami, ki se prilagaja izbrani velikosti plošče, številu in velikosti satja glede na načrt. Poleg tega je mogoče pred polaganjem črt določiti parametre, kot sta širina in višina črte, da se doseže želena višina glavne strukture. Naslednji korak v skriptu je pisanje ukazov kode G.
To se naredi tako, da se zabeležijo koordinate vsake točke na liniji z dodatnimi informacijami o stroju, kot so druge ustrezne osi za pozicioniranje in nadzor količine iztiskanja. Nastala G-koda se lahko nato prenese v proizvodne stroje. V tem primeru se industrijska robotska roka Comau NJ165 na linearni tirnici uporablja za krmiljenje ekstruderja CEAD E25 v skladu s kodo G (slika 5). Prvi prototip je uporabil postindustrijski PETG z vsebnostjo steklenih vlaken 20 %. Z vidika mehanskega testiranja je ciljna velikost blizu velikosti gradbene industrije, tako da so dimenzije glavnega elementa 1983 × 876 mm s 6 × 4 satnimi celicami. 6 mm in 2 mm višine.
Preliminarni testi so pokazali, da obstaja razlika v adhezivni moči med lepilom in smolo za 3D tiskanje glede na njene površinske lastnosti. Da bi to naredili, so preskusni vzorci aditivnega izdelave prilepljeni ali laminirani na steklo in izpostavljeni napetosti ali strigu. Pri predhodni mehanski obdelavi površine polimera z rezkanjem se je trdnost močno povečala (slika 6). Poleg tega izboljšuje ravnost jedra in preprečuje napake, ki nastanejo zaradi prekomernega iztiskanja. Tu uporabljen akrilat LOCTITE® AA 3345™ [19], strdljiv z UV žarki, je občutljiv na pogoje obdelave.
Posledica tega je pogosto višji standardni odklon za testne vzorce vezi. Po aditivni izdelavi je bila struktura jedra rezkana na profilnem rezkalniku. Koda G, ki je potrebna za to operacijo, se samodejno ustvari iz poti orodij, ki so že ustvarjene za postopek 3D tiskanja. Struktura jedra mora biti natisnjena nekoliko višje od predvidene višine jedra. V tem primeru je bila struktura jedra debeline 18 mm zmanjšana na 14 mm.
Ta del proizvodnega procesa je velik izziv za popolno avtomatizacijo. Uporaba lepil postavlja visoke zahteve glede točnosti in natančnosti strojev. Pnevmatski dozirni sistem se uporablja za nanašanje lepila vzdolž strukture jedra. Robot ga vodi po rezkalni površini v skladu z definirano potjo orodja. Izkazalo se je, da je zamenjava tradicionalne dozirne konice s čopičem še posebej ugodna. To omogoča, da se lepila z nizko viskoznostjo enakomerno porazdelijo po volumnu. Ta količina je določena s tlakom v sistemu in hitrostjo robota. Za večjo natančnost in visoko kakovost lepljenja so prednostne nizke hitrosti premikanja od 200 do 800 mm/min.
Na steno polimernega jedra širine 6 mm smo nanesli akrilat s povprečno viskoznostjo 1500 mPa*s z dozirno krtačo z notranjim premerom 0,84 mm in širino krtače 5 pri uporabljenem tlaku od 0,3 do 0,6 mbar. mm. Lepilo se nato razmaže po površini podlage in zaradi površinske napetosti tvori 1 mm debelo plast. Natančnega določanja debeline lepila še ni mogoče avtomatizirati. Trajanje postopka je pomembno merilo pri izbiri lepila. Tukaj izdelana jedrna konstrukcija ima dolžino proge 26 m in zato čas nanašanja od 30 do 60 minut.
Po nanosu lepila namestite okno z dvojno zasteklitvijo na svoje mesto. Zaradi majhne debeline materiala je tanko steklo že močno deformirano zaradi lastne teže in ga je zato treba čim bolj enakomerno namestiti. Za to se uporabljajo pnevmatske steklene priseske s časovno razpršenimi priseski. Na komponento se namesti z žerjavom, v prihodnosti pa bo morda nameščen neposredno z roboti. Steklena plošča je bila nameščena vzporedno s površino jedra na lepilni plasti. Zaradi manjše teže dodatna steklena plošča (debeline 4 do 6 mm) poveča pritisk nanj.
Rezultat mora biti popolna omočenost steklene površine vzdolž strukture jedra, kot je mogoče oceniti z začetnim vizualnim pregledom vidnih barvnih razlik. Postopek nanašanja lahko pomembno vpliva tudi na kakovost končnega lepljenega spoja. Ko so steklene plošče lepljene, jih ne smete premikati, ker bodo to povzročili vidne ostanke lepila na steklu in napake v dejanskem sloju lepila. Na koncu se lepilo strdi z UV sevanjem pri valovni dolžini 365 nm. V ta namen se z UV-žarnico z gostoto moči 6 mW/cm2 postopoma 60 s prenaša po celotni površini lepila.
Koncept lahkih in prilagodljivih tankih steklenih kompozitnih plošč z aditivno izdelanim polimernim jedrom, o katerih govorimo tukaj, je namenjen uporabi v prihodnjih fasadah. Tako morajo kompozitne plošče ustrezati veljavnim standardom in izpolnjevati zahteve za mejna stanja uporabe (SLS), mejna stanja mejne trdnosti (ULS) in varnostne zahteve. Zato morajo biti kompozitne plošče varne, močne in dovolj toge, da prenesejo obremenitve (kot so površinske obremenitve) brez zloma ali pretirane deformacije. Da bi raziskali mehanski odziv predhodno izdelanih tankih steklenih kompozitnih plošč (kot je opisano v razdelku o mehanskem testiranju), so bile podvržene preskusom obremenitve z vetrom, kot je opisano v naslednjem pododdelku.
Namen fizikalnega testiranja je preučevanje mehanskih lastnosti kompozitnih plošč zunanjih sten pri obremenitvah z vetrom. V ta namen so bile kompozitne plošče, sestavljene iz 3 mm debele polne kaljene steklene zunanje plošče in 14 mm debelega aditivno izdelanega jedra (iz PIPG-GF20), izdelane, kot je opisano zgoraj, z uporabo lepila Henkel Loctite AA 3345 (slika 7 levo). )). . Kompozitne plošče so nato pritrjene na leseni nosilni okvir s kovinskimi vijaki, ki so priviti skozi leseni okvir in v stranice glavne strukture. 30 vijakov je bilo nameščenih po obodu plošče (glejte črno črto na levi na sliki 7), da čim bolj natančno poustvarijo pogoje linearne podpore po obodu.
Preskusni okvir je bil nato zatesnjen na zunanjo preskusno steno z uporabo pritiska vetra ali sesanja vetra za kompozitno ploščo (slika 7, zgoraj desno). Za zapisovanje podatkov se uporablja digitalni korelacijski sistem (DIC). Da bi to naredili, je zunanje steklo kompozitne plošče prekrito s tanko elastično plastjo, na kateri je natisnjen biserni šumni vzorec (slika 7, spodaj desno). DIC uporablja dve kameri za snemanje relativnega položaja vseh merilnih točk na celotni stekleni površini. Posneti sta bili dve sliki na sekundo in uporabljeni za oceno. Tlak v komori, obdani s kompozitnimi ploščami, se poveča s pomočjo ventilatorja v korakih po 1000 Pa do največje vrednosti 4000 Pa, tako da se vsak nivo obremenitve vzdržuje 10 sekund.
Fizična postavitev eksperimenta je predstavljena tudi z numeričnim modelom z enakimi geometrijskimi dimenzijami. Za to se uporablja numerični program Ansys Mechanical. Struktura jedra je bila geometrijska mreža z uporabo šestkotnih elementov SOLID 185 s stranicami 20 mm za steklo in tetraedrskih elementov SOLID 187 s stranicami 3 mm. Za poenostavitev modeliranja se na tej stopnji študije predpostavlja, da je uporabljeni akrilat idealno tog in tanek ter je definiran kot toga vez med steklom in materialom jedra.
Kompozitne plošče so pritrjene v ravni liniji zunaj jedra, steklena plošča pa je izpostavljena površinski tlačni obremenitvi 4000 Pa. Čeprav so bile pri modeliranju upoštevane geometrijske nelinearnosti, so bili na tej stopnji uporabljeni le linearni materialni modeli. študija. Čeprav je to veljavna predpostavka za linearno elastični odziv stekla (E = 70.000 MPa), je bila v skladu s podatkovnim listom proizvajalca (viskoelastičnega) polimernega materiala jedra [17] uporabljena linearna togost E = 8245 MPa. sedanjo analizo je treba natančno preučiti in jo bomo proučevali v prihodnjih raziskavah.
Tukaj predstavljeni rezultati so ovrednoteni predvsem za deformacije pri največjih obremenitvah vetra do 4000 Pa (=ˆ4kN/m2). Za to smo slike, posnete z metodo DIC, primerjali z rezultati numerične simulacije (FEM) (slika 8, spodaj desno). Medtem ko je idealna skupna deformacija 0 mm z "idealnimi" linearnimi nosilci v robnem območju (tj. obodu plošče) izračunana v FEM, je treba pri ocenjevanju DIC upoštevati fizični premik robnega območja. To je posledica toleranc vgradnje in deformacije preskusnega okvirja in njegovih tesnil. Za primerjavo smo povprečni premik v območju robov (črtkana bela črta na sliki 8) odšteli od največjega odmika v središču plošče. Pomiki, določeni z DIC in FEA, so primerjani v tabeli 1 in so grafično prikazani v zgornjem levem kotu slike 8.
Štiri uporabljene stopnje obremenitve eksperimentalnega modela so bile uporabljene kot kontrolne točke za vrednotenje in ovrednotene v FEM. Največji sredinski pomik kompozitne plošče v neobremenjenem stanju je bil določen z meritvami DIC pri stopnji obremenitve 4000 Pa pri 2,18 mm. Medtem ko lahko pomiki FEA pri nižjih obremenitvah (do 2000 Pa) še vedno natančno reproducirajo eksperimentalne vrednosti, nelinearnega povečanja deformacije pri večjih obremenitvah ni mogoče natančno izračunati.
Študije pa so pokazale, da lahko kompozitne plošče prenesejo ekstremne obremenitve vetra. Posebej izstopa visoka togost lahkih plošč. Z uporabo analitičnih izračunov, ki temeljijo na linearni teoriji Kirchhoffovih plošč [20], deformacija 2,18 mm pri 4000 Pa ustreza deformaciji ene same steklene plošče debeline 12 mm pri enakih robnih pogojih. Posledično se lahko debelina stekla (ki je v proizvodnji energetsko intenzivno) v tej kompozitni plošči zmanjša na 2 x 3 mm stekla, kar povzroči 50-odstotni prihranek materiala. Zmanjšanje skupne teže plošče zagotavlja dodatne prednosti v smislu montaže. Medtem ko lahko 30 kg težko kompozitno ploščo zlahka obvladata dve osebi, tradicionalna 50 kg steklena plošča zahteva tehnično podporo za varno premikanje. Za natančno predstavitev mehanskega obnašanja bodo v prihodnjih študijah potrebni podrobnejši numerični modeli. Analizo končnih elementov je mogoče dodatno izboljšati z obsežnejšimi nelinearnimi modeli materialov za polimere in modeliranje lepilnih vezi.
Razvoj in izboljšanje digitalnih procesov imata ključno vlogo pri izboljšanju ekonomske in okoljske uspešnosti v gradbeništvu. Poleg tega uporaba tankega stekla v fasadah obljublja prihranek energije in virov ter odpira nove možnosti za arhitekturo. Vendar pa so zaradi majhne debeline stekla potrebne nove konstrukcijske rešitve za ustrezno ojačitev stekla. Zato študija, predstavljena v tem članku, raziskuje koncept kompozitnih plošč iz tankega stekla in vezanih ojačanih 3D natisnjenih polimernih jedrnih struktur. Celoten proizvodni proces od načrtovanja do proizvodnje je digitaliziran in avtomatiziran. S pomočjo Grasshopperja je bil razvit potek dela od datoteke do tovarne, ki omogoča uporabo tankih steklenih kompozitnih plošč v prihodnjih fasadah.
Izdelava prvega prototipa je pokazala izvedljivost in izzive robotske proizvodnje. Medtem ko sta aditivna in subtraktivna proizvodnja že dobro integrirani, še posebej popolnoma avtomatizirana uporaba in sestavljanje lepila predstavljata dodatne izzive, ki jih je treba obravnavati v prihodnjih raziskavah. S predhodnim mehanskim testiranjem in povezanim modeliranjem raziskav končnih elementov je bilo dokazano, da lahke in tanke plošče iz steklenih vlaken zagotavljajo zadostno upogibno togost za predvidene fasadne aplikacije, tudi v pogojih ekstremne obremenitve vetra. Tekoče raziskave avtorjev bodo nadalje raziskale potencial digitalno izdelanih tankih steklenih kompozitnih plošč za fasadne aplikacije in prikazale njihovo učinkovitost.
Avtorji se zahvaljujemo vsem podpornikom, ki so sodelovali pri tem raziskovalnem delu. Zahvaljujoč programu financiranja EFRE SAB financiranega iz sredstev Evropske unije v obliki nepovratnih sredstev št., za zagotovitev finančnih sredstev za nakup manipulatorja z ekstruderjem in rezkalno napravo. 100537005. Poleg tega je AiF-ZIM prejel priznanje za financiranje raziskovalnega projekta Glasfur3D (številka štipendije ZF4123725WZ9) v sodelovanju z Glaswerkstätten Glas Ahne, ki je zagotovilo pomembno podporo za to raziskovalno delo. Laboratorij Friedrich Siemens in njegovi sodelavci, zlasti Felix Hegewald in študentski asistent Jonathan Holzerr, priznavajo tehnično podporo in izvedbo izdelave in fizičnega testiranja, ki je bila podlaga za ta dokument.
Čas objave: 4. avgusta 2023