A vékony üveg használata számos építőipari feladat ellátását ígéri. Az erőforrások hatékonyabb felhasználásából adódó környezeti előnyök mellett az építészek vékony üveget használhatnak a tervezési szabadság új fokozatainak eléréséhez. A szendvicselmélet alapján a rugalmas vékony üveg kombinálható egy 3D nyomtatott nyitott cellás polimer maggal, így nagyon merev és könnyű lehet.
összetett elemek. Ez a cikk egy feltáró kísérletet mutat be vékony üveg-kompozit homlokzati panelek digitális gyártására ipari robotok segítségével. Elmagyarázza a gyárak közötti munkafolyamatok digitalizálásának koncepcióját, beleértve a számítógéppel segített tervezést (CAD), a tervezést (CAE) és a gyártást (CAM). A tanulmány egy parametrikus tervezési folyamatot mutat be, amely lehetővé teszi a digitális elemző eszközök zökkenőmentes integrációját.
Ezenkívül ez a folyamat bemutatja a vékony üvegkompozit panelek digitális gyártásában rejlő lehetőségeket és kihívásokat. Itt ismertetjük az ipari robotkar által végzett gyártási lépések egy részét, mint például a nagyformátumú adalékos gyártás, a felületmegmunkálás, a ragasztás és az összeszerelés. Végül először sikerült mélyrehatóan megérteni a kompozit panelek mechanikai tulajdonságait kísérleti és numerikus vizsgálatok, valamint a kompozit panelek felületi terhelés alatti mechanikai tulajdonságainak értékelése révén. A digitális tervezés és gyártás munkafolyamatának átfogó koncepciója, valamint a kísérleti vizsgálatok eredményei alapot adnak az alakdefiníciós és -elemzési módszerek további integrációjához, valamint kiterjedt mechanikai vizsgálatok elvégzéséhez a jövőbeni tanulmányokban.
A digitális gyártási módszerek lehetővé teszik a termelés javítását a hagyományos módszerek átalakításával és új tervezési lehetőségek biztosításával [1]. A hagyományos építési módszerek általában túlzottan használják fel az anyagokat a költségek, az alapvető geometria és a biztonság szempontjából. Az építőipar gyárakba költöztetésével, a moduláris előregyártással és az új tervezési módszerek megvalósításához robotikával az anyagok hatékonyan, a biztonság veszélyeztetése nélkül használhatók fel. A digitális gyártás lehetővé teszi, hogy bővítsük tervezői fantáziánkat, hogy változatosabb, hatékonyabb és ambiciózusabb geometriai formákat hozzunk létre. Míg a tervezési és számítási folyamatokat nagyrészt digitalizálták, a gyártás és az összeszerelés továbbra is nagyrészt kézzel, hagyományos módon történik. Az egyre bonyolultabb, szabad formájú struktúrákkal való megbirkózás érdekében a digitális gyártási folyamatok egyre fontosabbá válnak. A szabadság és a tervezési rugalmasság iránti vágy, különösen a homlokzatok esetében, folyamatosan növekszik. A szabad formájú homlokzatok a vizuális hatás mellett hatékonyabb szerkezetek létrehozását is lehetővé teszik, például membráneffektusok segítségével [2]. Emellett a digitális gyártási folyamatokban rejlő nagy potenciál a hatékonyságukban és a tervezés optimalizálásának lehetőségében rejlik.
Ez a cikk azt vizsgálja, hogyan használható a digitális technológia egy innovatív kompozit homlokzati panel tervezésére és gyártására, amely additív módon előállított polimer magból és ragasztott vékony üveg külső panelekből áll. A vékony üveg használatához kapcsolódó új építészeti lehetőségek mellett a környezeti és gazdasági szempontok is fontos motivációt jelentettek a kevesebb anyag felhasználására az épületburok megépítéséhez. A klímaváltozás, az erőforrások szűkössége és a jövőben növekvő energiaárak miatt az üveget okosabban kell használni. Az elektronikai iparból származó, 2 mm-nél kisebb vastagságú vékony üveg használata könnyűvé teszi a homlokzatot és csökkenti az alapanyag-felhasználást.
A vékony üveg nagy rugalmasságának köszönhetően új lehetőségeket nyit meg az építészeti alkalmazások előtt, és egyben új mérnöki kihívásokat is jelent [3,4,5,6]. Míg a vékony üveget használó homlokzati projektek jelenlegi megvalósítása korlátozott, a vékony üveget egyre gyakrabban használják az építőmérnöki és építészeti tanulmányokban. A vékony üveg nagy rugalmas alakváltozási képessége miatt homlokzati alkalmazása megerősített szerkezeti megoldásokat igényel [7]. Az ívelt geometriából adódó membránhatás kihasználása mellett [8] a tehetetlenségi nyomaték növelhető egy polimer magból és egy ragasztott vékony üveg külső lapból álló többrétegű szerkezettel is. Ez a megközelítés ígéretesnek bizonyult a kemény átlátszó polikarbonát magnak köszönhetően, amely kevésbé sűrű, mint az üveg. A pozitív mechanikai hatás mellett további biztonsági kritériumok is teljesültek [9].
A következő tanulmányban a megközelítés ugyanazon az elven alapul, de additív módon előállított, nyitott pórusú áttetsző magot használ. Ez nagyobb fokú geometriai szabadságot és tervezési lehetőségeket, valamint az épület fizikai funkcióinak integrálását garantálja [10]. Az ilyen kompozit panelek különösen hatékonynak bizonyultak a mechanikai vizsgálatok során [11], és azt ígérik, hogy akár 80%-kal is csökkentik a felhasznált üveg mennyiségét. Ez nemcsak a szükséges erőforrásokat csökkenti, hanem jelentősen csökkenti a panelek súlyát is, ezáltal növeli az alépítmény hatékonyságát. Az új építési formák azonban új termelési formákat igényelnek. A hatékony szerkezetekhez hatékony gyártási folyamatok szükségesek. A digitális tervezés hozzájárul a digitális gyártáshoz. Ez a cikk a szerző korábbi kutatásait folytatja az ipari robotok számára készült vékony üvegkompozit panelek digitális gyártási folyamatának tanulmányozásával. A hangsúly az első nagy formátumú prototípusok fájl-gyári munkafolyamatának digitalizálásán van a gyártási folyamat automatizálásának növelése érdekében.
A kompozit panel (1. ábra) két vékony üvegrétegből áll, amelyek egy AM polimer mag köré vannak tekerve. A két rész ragasztóval van összekötve. Ennek a kialakításnak a célja a terhelés lehető leghatékonyabb elosztása a teljes szakaszon. A hajlítási nyomatékok normál feszültségeket hoznak létre a héjban. Az oldalirányú erők nyírófeszültséget okoznak a magban és a tapadó kötésekben.
A szendvicsszerkezet külső rétege vékony üvegből készült. Elvileg nátron-mész-szilikát üveget használnak majd. 2 mm-nél kisebb célvastagság esetén a termikus temperálási folyamat eléri az aktuális technológiai határt. A kémiailag erősített alumínium-szilikát üveg különösen alkalmasnak tekinthető, ha a tervezés (pl. hidegen hajtogatott panelek) vagy a felhasználás miatt nagyobb szilárdság szükséges [12]. A fényáteresztő és környezetvédelmi funkciókat jó mechanikai tulajdonságok egészítik ki, mint például a jó karcállóság és a viszonylag magas Young-modulus a kompozitokban használt egyéb anyagokhoz képest. A kémiailag edzett vékony üvegek korlátozott mérete miatt az első nagyméretű prototípus elkészítéséhez teljesen edzett, 3 mm vastag nátron-mészüveg paneleket használtak.
A tartószerkezetet a kompozit panel formázott részének tekintik. Szinte minden tulajdonságra hatással van. Az additív gyártási módszernek köszönhetően a digitális gyártási folyamat központja is egyben. A hőre lágyuló műanyagokat olvasztással dolgozzák fel. Ez lehetővé teszi nagyszámú különböző polimer használatát meghatározott alkalmazásokhoz. A fő elemek topológiája funkciójuktól függően eltérő hangsúllyal alakítható ki. Ebből a célból a formatervezés a következő négy tervezési kategóriára osztható: szerkezeti tervezés, funkcionális tervezés, esztétikus tervezés és gyártástervezés. Minden kategóriának különböző céljai lehetnek, ami eltérő topológiákhoz vezethet.
Az előtanulmányozás során a főbb tervek közül néhányat megvizsgáltak a tervezésük alkalmasságát illetően [11]. Mechanikai szempontból különösen hatékony a giroszkóp három periódusos minimális magfelülete. Ez nagy mechanikai ellenállást biztosít a hajlítással szemben viszonylag alacsony anyagfelhasználás mellett. A felszíni régiókban reprodukált sejtes alapstruktúrák mellett a topológia más alakkereső technikákkal is előállítható. A feszültségvonal generálása az egyik lehetséges módja a merevség optimalizálásának a lehető legkisebb súly mellett [13]. A szendvics konstrukciókban széles körben alkalmazott méhsejtszerkezetet azonban a gyártósor fejlesztésének kiindulópontjaként használták. Ez az alapforma gyors előrehaladást eredményez a gyártásban, különösen az egyszerű szerszámpálya-programozás révén. Kompozit panelekben való viselkedését alaposan tanulmányozták [14, 15, 16], és a megjelenése paraméterezéssel számos módon megváltoztatható, és kezdeti optimalizálási koncepciókhoz is használható.
A polimer kiválasztásakor számos hőre lágyuló polimert kell figyelembe venni, az alkalmazott extrudálási eljárástól függően. A kisméretű anyagok kezdeti előzetes vizsgálatai csökkentették a homlokzati használatra alkalmas polimerek számát [11]. A polikarbonát (PC) hőállósága, UV-állósága és nagy merevsége miatt ígéretes. A polikarbonát feldolgozásához szükséges további műszaki és pénzügyi befektetések miatt az első prototípusok előállításához etilénglikollal módosított polietilén-tereftalátot (PETG) használtak. Különösen könnyű megmunkálása viszonylag alacsony hőmérsékleten, alacsony a hőfeszültség és az alkatrészek deformációjának kockázata mellett. Az itt látható prototípus újrahasznosított PETG-ből, PIPG-ből készült. Az anyagot 60°C-on előzetesen legalább 4 órán át szárítottuk, majd 20%-os üvegszál tartalmú granulátummá dolgoztuk fel [17].
A ragasztó erős kötést biztosít a polimer magszerkezet és a vékony üvegfedél között. Ha a kompozit panelek hajlító terhelésnek vannak kitéve, a ragasztóhézagok nyírófeszültségnek vannak kitéve. Ezért előnyben részesítjük a keményebb ragasztót, amely csökkentheti az elhajlást. Az átlátszó ragasztók emellett kiváló vizuális minőséget biztosítanak, ha átlátszó üveghez ragasztják. Egy másik fontos tényező a ragasztó kiválasztásánál a gyárthatóság és az automatizált gyártási folyamatokba való integrálhatóság. Itt a rugalmas kötési idővel rendelkező UV-kötésű ragasztók nagyban leegyszerűsíthetik a fedőrétegek elhelyezését. Az előzetes tesztek alapján egy sor ragasztóanyagot teszteltek vékony üvegkompozit panelekhez való alkalmasság szempontjából [18]. A Loctite® AA 3345™ UV-sugárzással térhálósítható akrilát [19] különösen alkalmasnak bizonyult a következő eljáráshoz.
Az additív gyártás lehetőségeinek és a vékony üveg rugalmasságának kihasználása érdekében a teljes folyamatot digitálisan és parametrikusan történő működésre tervezték. A Grasshopper vizuális programozási felületként használatos, elkerülve a különböző programok közötti interfészt. Minden tudományág (mérnöki, mérnöki és gyártási) támogatja és kiegészíti egymást egy fájlban, közvetlen visszajelzéssel az üzemeltetőtől. A vizsgálat ezen szakaszában a munkafolyamat még fejlesztés alatt áll, és a 2. ábrán látható mintát követi. A különböző célkitűzések tudományágakon belül kategóriákba sorolhatók.
Bár ebben a cikkben a szendvicspanelek gyártását felhasználó-központú tervezéssel és gyártás-előkészítéssel automatizáltuk, az egyes mérnöki eszközök integrációja és validálása nem valósult meg teljesen. A homlokzati geometria parametrikus kialakítása alapján lehetőség van az épület külső héjának makroszintű (homlokzati) és mezo (homlokzati panelek) kialakítására. A második lépésben a mérnöki visszacsatolási hurok célja a függönyfalgyártás biztonságának és alkalmasságának, valamint életképességének értékelése. Végül a kapott panelek készen állnak a digitális gyártásra. A program a kifejlesztett magstruktúrát géppel olvasható G-kódban dolgozza fel, és készíti fel additív gyártásra, kivonó utófeldolgozásra és üvegragasztásra.
A tervezési folyamatot két különböző szinten vizsgálják. Amellett, hogy a homlokzatok makró formája befolyásolja az egyes kompozit panelek geometriáját, maga a mag topológiája is mezo szinten tervezhető. Paraméteres homlokzatmodell használata esetén az alak és a megjelenés a példa homlokzati metszetekkel befolyásolható a 3. ábrán látható csúszkák segítségével. Így a teljes felület egy felhasználó által definiált méretezhető felületből áll, amely pontattraktorokkal deformálható és módosítható meghatározva az alakváltozás minimális és maximális fokát. Ez nagyfokú rugalmasságot biztosít az épületburkolatok tervezésében. Ezt a szabadsági fokot azonban korlátozzák a műszaki és gyártási korlátok, amelyeket aztán a mérnöki részben az algoritmusok játszanak le.
A teljes homlokzat magassága és szélessége mellett a homlokzati panelek felosztása is meghatározásra kerül. Ami az egyes homlokzati paneleket illeti, ezek mezo szinten pontosabban meghatározhatók. Ez befolyásolja magának a magszerkezetnek a topológiáját, valamint az üveg vastagságát. Ez a két változó, valamint a panel mérete fontos kapcsolatban áll a gépészeti modellezéssel. A teljes makró- és mezoszint tervezése és fejlesztése optimalizálási szempontból a négy kategóriában: szerkezet, funkció, esztétika és termékdizájn elvégezhető. A felhasználók ezeknek a területeknek a priorizálásával alakíthatják ki az épület burkolatának általános megjelenését és hangulatát.
A projektet a mérnöki rész támogatja visszacsatoló hurok segítségével. Ennek érdekében a 2. ábrán látható optimalizálási kategóriában célokat és peremfeltételeket határoznak meg, amelyek műszakilag megvalósítható, fizikailag megalapozott, mérnöki szempontból biztonságosan kiépíthető folyosókat biztosítanak, ami jelentős hatással van a tervezésre. Ez a kiindulópontja a különféle eszközöknek, amelyek közvetlenül integrálhatók a Grasshopperbe. A további vizsgálatok során a mechanikai tulajdonságokat végeselem-elemzés (FEM) vagy akár analitikai számítások segítségével lehet értékelni.
Ezenkívül a napsugárzás tanulmányozása, a látótávolság elemzése és a napfény időtartamának modellezése értékelheti a kompozit panelek hatását az épületfizikára. Fontos, hogy ne korlátozzuk túlzottan a tervezési folyamat sebességét, hatékonyságát és rugalmasságát. Az itt kapott eredményeket úgy tervezték meg, hogy további útmutatást és támogatást nyújtsanak a tervezési folyamathoz, és nem helyettesítik a tervezési folyamat végén végzett részletes elemzést és indoklást. Ez a stratégiai terv megalapozza a további kategorikus kutatásokat a bizonyított eredmények érdekében. Például még keveset tudunk a kompozit panelek mechanikai viselkedéséről különböző terhelési és alátámasztási feltételek mellett.
A tervezés és a tervezés befejezése után a modell készen áll a digitális gyártásra. A gyártási folyamat négy részszakaszra oszlik (4. ábra). Először a fő szerkezetet additív módon gyártották egy nagyméretű robotizált 3D-nyomtató berendezéssel. A felületet ezután ugyanazzal a robotrendszerrel marják meg a jó tapadáshoz szükséges felületminőség javítása érdekében. Az őrlés után a ragasztót a magszerkezet mentén egy speciálisan kialakított adagolórendszerrel hordják fel, amely ugyanarra a robotrendszerre van felszerelve, mint a nyomtatási és marási folyamatban. Végül az üveget a ragasztott hézag UV-sugárzása előtt kell felhelyezni és lefektetni.
Az additív gyártáshoz az alapul szolgáló struktúra meghatározott topológiáját le kell fordítani CNC gépi nyelvre (GCode). Az egységes és jó minőségű eredmény érdekében a cél az, hogy minden réteget úgy nyomtassunk ki, hogy az extruder fúvókája ne essen le. Ez megakadályozza a nem kívánt túlnyomás kialakulását a mozgás elején és végén. Ezért egy folyamatos pálya-generáló szkriptet írtak a használt cellamintához. Ezzel egy parametrikus folytonos vonalláncot hoz létre azonos kezdő- és végponttal, amely alkalmazkodik a kiválasztott panelmérethez, a méhsejtszámhoz és -mérethez a terv szerint. Ezenkívül a vonalak lerakása előtt olyan paraméterek is megadhatók, mint a vonalszélesség és a vonalmagasság, hogy elérjék a fő szerkezet kívánt magasságát. A szkript következő lépése a G-kód parancsok megírása.
Ez úgy történik, hogy a vonal minden pontjának koordinátáit rögzítik további gépinformációkkal, például más releváns tengelyekkel a pozicionáláshoz és az extrudálási hangerő szabályozásához. Az így kapott G-kód ezután átvihető a gyártógépekre. Ebben a példában egy Comau NJ165 ipari robotkar lineáris sínen van a CEAD E25 extruder vezérlésére a G-kód szerint (5. ábra). Az első prototípus posztindusztriális PETG-t használt 20%-os üvegszál tartalommal. A mechanikai vizsgálatot tekintve a célméret közel áll az építőipari méretekhez, így a fő elem méretei 1983 × 876 mm 6 × 4 méhsejt cellával. 6 mm és 2 mm magas.
Az előzetes tesztek kimutatták, hogy a tapadási szilárdságban különbség van a ragasztó és a 3D nyomtatási gyanta között a felületi tulajdonságaitól függően. Ehhez az additív gyártási próbatesteket üvegre ragasztják vagy laminálják, és feszítésnek vagy nyírásnak vetik alá. A polimer felület őrléssel történő előzetes mechanikai feldolgozása során a szilárdság jelentősen megnőtt (6. ábra). Ezen túlmenően javítja a mag síkságát és megakadályozza a túlzott extrudálás okozta hibákat. Az itt használt, UV-sugárzással térhálósítható LOCTITE® AA 3345™ [19] akrilát érzékeny a feldolgozási körülményekre.
Ez gyakran nagyobb szórást eredményez a kötésvizsgálati mintáknál. Az additív gyártás után a magszerkezetet profilmaró gépen martuk. A művelethez szükséges G-kód automatikusan létrejön a 3D nyomtatási folyamathoz már létrehozott szerszámpályákból. A magszerkezetet a tervezett magmagasságnál valamivel magasabbra kell nyomtatni. Ebben a példában a 18 mm vastag magszerkezet 14 mm-re csökkent.
A gyártási folyamat ezen része nagy kihívást jelent a teljes automatizálás szempontjából. A ragasztók használata magas követelményeket támaszt a gépek pontosságával és precizitásával szemben. A pneumatikus adagolórendszer a ragasztó felhordására szolgál a mag szerkezete mentén. A robot a marási felületen vezeti a meghatározott szerszámpályának megfelelően. Kiderült, hogy a hagyományos adagolóhegy ecsettel való helyettesítése különösen előnyös. Ez lehetővé teszi az alacsony viszkozitású ragasztók egyenletes térfogat szerinti adagolását. Ezt a mennyiséget a rendszerben lévő nyomás és a robot sebessége határozza meg. A nagyobb pontosság és a jó ragasztási minőség érdekében az alacsony, 200-800 mm/perc haladási sebesség előnyös.
A polimer mag falára 1500 mPa*s átlagos viszkozitású akrilátot vittünk fel 6 mm széles adagolókefével, amelynek belső átmérője 0,84 mm és kefeszélessége 5 mm, 0,3-0,6 mbar nyomás mellett. mm. Ezután a ragasztót az aljzat felületére eloszlatják, és a felületi feszültség hatására 1 mm vastag réteget képeznek. A ragasztóvastagság pontos meghatározása még nem automatizálható. A folyamat időtartama fontos kritérium a ragasztó kiválasztásánál. Az itt előállított magszerkezet pályahossza 26 m, így az alkalmazási idő 30-60 perc.
A ragasztó felhordása után szerelje be a dupla üvegezésű ablakot a helyére. Az anyag kis vastagsága miatt a vékony üveg már a saját súlyától is erősen deformálódik, ezért a lehető legegyenletesebben kell elhelyezni. Ehhez időeloszlású tapadókorongokkal ellátott pneumatikus üveg tapadókorongokat használnak. Daru segítségével helyezik az alkatrészre, a jövőben pedig közvetlenül robotok segítségével. Az üveglapot a mag felületével párhuzamosan helyeztük el a ragasztórétegen. A könnyebb súly miatt egy további üveglap (4-6 mm vastag) növeli a rá nehezedő nyomást.
Az eredmény az üvegfelület teljes átnedvesedése a magszerkezet mentén, amint azt a látható színkülönbségek kezdeti szemrevételezése alapján meg lehet ítélni. Az alkalmazási folyamat jelentős hatással lehet a végső ragasztott kötés minőségére is. A ragasztás után az üvegtáblákat nem szabad elmozdítani, mert ez látható ragasztómaradványokat eredményez az üvegen, és a tényleges ragasztóréteg hibáit. Végül a ragasztót UV-sugárzással 365 nm hullámhosszon kikeményítik. Ehhez egy 6 mW/cm2 teljesítménysűrűségű UV-lámpát fokozatosan, 60 másodpercen keresztül vezetnek át a teljes ragasztófelületen.
Az itt tárgyalt, könnyű és testre szabható vékony üvegkompozit panelek adalékanyaggal előállított polimer maggal a jövő homlokzataiban való felhasználásra szolgálnak. Így a kompozit paneleknek meg kell felelniük a vonatkozó szabványoknak, és meg kell felelniük a szolgáltatási határállapotok (SLS), a végső szilárdsági határállapotok (ULS) és a biztonsági követelmények követelményeinek. Ezért a kompozit paneleknek biztonságosnak, erősnek és elég merevnek kell lenniük ahhoz, hogy törés vagy túlzott deformáció nélkül ellenálljanak a terheléseknek (például a felületi terheléseknek). A korábban gyártott vékony üvegkompozit panelek mechanikai reakciójának vizsgálata érdekében (a Mechanikai tesztelés részben leírtak szerint) szélterhelési teszteknek vetettük alá őket a következő alfejezetben leírtak szerint.
A fizikai vizsgálat célja a külső falak kompozit paneleinek mechanikai tulajdonságainak vizsgálata szélterhelés hatására. Ebből a célból a fent leírtak szerint Henkel Loctite AA 3345 ragasztóval (7. ábra balra) 3 mm vastag, teljes edzett üveg külső lemezből és 14 mm vastag, adalékanyaggal gyártott magból (PIPG-GF20-ból) álló kompozit paneleket készítettek. )). . A kompozit paneleket ezután fémcsavarokkal rögzítik a fa tartókerethez, amelyeket a fa kereten keresztül a fő szerkezet oldalaiba kell behajtani. A panel kerülete mentén 30 csavart helyeztek el (lásd a 7. ábrán a bal oldali fekete vonalat), hogy a lehető legpontosabban reprodukálják a kerület mentén a lineáris alátámasztási viszonyokat.
A tesztkeretet ezután szélnyomás vagy szélszívás alkalmazásával a külső tesztfalhoz tömítettük a kompozit panel mögött (7. ábra, jobb felső sarokban). Az adatok rögzítésére digitális korrelációs rendszert (DIC) használnak. Ehhez a kompozit panel külső üvegét vékony, rányomott, gyöngyházzajmintával nyomtatott rugalmas lap borítja (7. ábra, jobbra lent). A DIC két kamerát használ az összes mérési pont egymáshoz viszonyított helyzetének rögzítésére a teljes üvegfelületen. Másodpercenként két képet rögzítettünk, és ezeket használtuk az értékeléshez. A kompozit panelekkel körülvett kamrában a nyomást egy ventilátor 1000 Pa-os lépésekben növeli 4000 Pa maximális értékig úgy, hogy minden terhelési szint 10 másodpercig megmarad.
A kísérlet fizikai felépítését egy azonos geometriai méretû numerikus modell is ábrázolja. Ehhez az Ansys Mechanical numerikus programot használjuk. A magszerkezet geometrikus háló volt, SOLID 185 hatszögletű elemekből 20 mm-es oldalú üveggel és SOLID 187 tetraéder elemekből 3 mm-es oldalakkal. A modellezés egyszerűsítése érdekében a vizsgálat ezen szakaszában azt feltételezzük, hogy a használt akrilát ideálisan merev és vékony, és az üveg és a maganyag közötti merev kötésként definiálható.
A kompozit paneleket egyenes vonalban rögzítik a magon kívül, és az üvegtáblát 4000 Pa felületi nyomásterhelésnek vetik alá. Bár a modellezés során figyelembe vették a geometriai nemlinearitásokat is, ebben a szakaszban csak lineáris anyagmodelleket alkalmaztak. tanulmány. Bár ez érvényes feltevés az üveg lineáris rugalmas válaszreakciójára (E = 70 000 MPa), a (viszkoelasztikus) polimer maganyag gyártójának adatlapja [17] szerint az E = 8245 MPa lineáris merevséget alkalmazták. a jelenlegi elemzést szigorúan meg kell fontolni, és a jövőbeni kutatások során tanulmányozni fogják.
Az itt bemutatott eredményeket elsősorban a 4000 Pa-ig (=ˆ4kN/m2) terjedő maximális szélterhelések deformációira értékelték. Ehhez a DIC módszerrel rögzített képeket összehasonlítottuk a numerikus szimuláció (FEM) eredményeivel (8. ábra, jobbra lent). Míg a FEM-ben egy ideális 0 mm-es teljes nyúlás „ideális” lineáris támasztékokkal az éltartományban (azaz a panel kerületében) van kiszámítva, a peremtartomány fizikai elmozdulását figyelembe kell venni a DIC értékelésénél. Ennek oka a beépítési tűrések, valamint a próbakeret és tömítéseinek deformációja. Összehasonlításképpen az átlagos elmozdulást az éltartományban (szaggatott fehér vonal a 8. ábrán) kivontuk a panel közepén mért maximális elmozdulásból. A DIC és FEA által meghatározott elmozdulásokat az 1. táblázatban hasonlítjuk össze, és grafikusan a 8. ábra bal felső sarkában ábrázoljuk.
A kísérleti modell négy alkalmazott terhelési szintjét kontrollpontként használtuk az értékeléshez, és értékeltük a FEM-ben. A kompozit lemez maximális központi elmozdulását terheletlen állapotban DIC mérésekkel határoztuk meg 4000 Pa terhelési szinten 2,18 mm-nél. Míg a FEA elmozdulások kisebb terheléseknél (2000 Pa-ig) még mindig pontosan képesek reprodukálni a kísérleti értékeket, a nem lineáris alakváltozás nagyobb terheléseknél nem számítható pontosan.
A vizsgálatok azonban kimutatták, hogy a kompozit panelek ellenállnak a szélsőséges szélterhelésnek. A könnyű panelek nagy merevsége különösen kiemelkedik. A Kirchhoff-lemezek lineáris elméletén [20] alapuló analitikai számításokat alkalmazva a 2,18 mm-es deformáció 4000 Pa nyomáson egyetlen 12 mm vastag üveglap alakváltozásának felel meg azonos peremfeltételek mellett. Ennek eredményeként az üveg vastagsága (amely a gyártás során energiaigényes) ebben a kompozit panelben 2 x 3 mm-es üvegre csökkenthető, ami 50%-os anyagmegtakarítást eredményez. A panel összsúlyának csökkentése további előnyöket biztosít az összeszerelés szempontjából. Míg egy 30 kg-os kompozit panelt két ember is könnyen kezelhet, a hagyományos 50 kg-os üvegtáblák biztonságos mozgatásához technikai támogatásra van szükség. A mechanikai viselkedés pontos ábrázolása érdekében a jövőbeni vizsgálatok során részletesebb numerikus modellekre lesz szükség. A végeselemes analízis tovább fokozható a polimerek kiterjedtebb nemlineáris anyagmodelljeivel és a ragasztókötés modellezésével.
A digitális folyamatok fejlesztése és javítása kulcsszerepet játszik az építőipar gazdasági és környezetvédelmi teljesítményének javításában. Emellett a vékony üveg homlokzatokon való alkalmazása energia- és erőforrás-megtakarítást ígér, és új lehetőségeket nyit az építészet számára. Az üveg kis vastagsága miatt azonban új tervezési megoldások szükségesek az üveg megfelelő megerősítéséhez. Ezért az ebben a cikkben bemutatott tanulmány a vékony üvegből és ragasztott, megerősített 3D nyomtatott polimer magszerkezetekből készült kompozit panelek koncepcióját tárja fel. A teljes gyártási folyamat a tervezéstől a gyártásig digitalizált és automatizált. A Grasshopper segítségével egy fájltól gyárig munkafolyamatot fejlesztettek ki, amely lehetővé teszi a vékony üvegkompozit panelek használatát a jövőbeni homlokzatokon.
Az első prototípus gyártása bemutatta a robotizált gyártás megvalósíthatóságát és kihívásait. Míg az additív és szubtraktív gyártás már jól integrált, a teljesen automatizált ragasztófelvitel és -összeszerelés különösen további kihívásokat jelent, amelyekkel a jövőbeli kutatások során foglalkozni kell. Az előzetes mechanikai tesztelés és a kapcsolódó végeselemes kutatási modellezés során bebizonyosodott, hogy a könnyű és vékony üvegszálas panelek megfelelő hajlítási merevséget biztosítanak a tervezett homlokzati alkalmazásokhoz még szélsőséges szélterhelési körülmények között is. A szerzők folyamatban lévő kutatása tovább vizsgálja a digitálisan előállított vékony üvegkompozit panelek homlokzati alkalmazásokban rejlő lehetőségeit, és bemutatja hatékonyságukat.
A szerzők ezúton szeretnének köszönetet mondani minden támogatónak, aki részt vett a kutatásban. számú támogatás formájában európai uniós forrásból finanszírozott EFRE SAB támogatási programnak köszönhetően anyagi forrás biztosítása extruderes manipulátor és maróberendezés beszerzéséhez. 100537005. Ezenkívül az AiF-ZIM-et elismerték a Glasfur3D kutatási projekt finanszírozásáért (a támogatási szám: ZF4123725WZ9) a Glaswerkstätten Glas Ahne céggel együttműködve, amely jelentős támogatást nyújtott ehhez a kutatási munkához. Végül a Friedrich Siemens Laboratórium és munkatársai, különösen Felix Hegewald és Jonathan Holzerr hallgatói asszisztens elismerik a gyártás és a fizikai tesztelés technikai támogatását és végrehajtását, amelyek a jelen tanulmány alapját képezték.
Feladás időpontja: 2023-04-04