Õhukese klaasi kasutamine tõotab täita erinevaid ülesandeid ehitustööstuses. Lisaks ressursside tõhusamast kasutamisest tulenevale keskkonnakasule saavad arhitektid kasutada õhukest klaasi, et saavutada uusi disainivabaduse tasemeid. Sandwichi teooriale tuginedes saab painduvat õhukest klaasi kombineerida 3D-prinditud avatud raku polümeersüdamikuga, et moodustada väga jäik ja kerge.
komposiitelemendid. Selles artiklis esitatakse uurimuslik katse õhukeste klaaskomposiitfassaadipaneelide digitaalseks valmistamiseks tööstusrobotite abil. See selgitab tehasest tehasele töövoogude, sealhulgas arvutipõhise disaini (CAD), inseneri (CAE) ja tootmise (CAM) digiteerimise kontseptsiooni. Uuring demonstreerib parameetrilist projekteerimisprotsessi, mis võimaldab digitaalsete analüüsivahendite sujuvat integreerimist.
Lisaks näitab see protsess õhukeste klaaskomposiitpaneelide digitaalse tootmise potentsiaali ja väljakutseid. Siin on selgitatud mõningaid tööstusliku robotkäe poolt läbiviidavaid tootmisetappe, nagu suureformaadiline lisandite tootmine, pinnatöötlus, liimimine ja kokkupanek. Lõpuks on esmakordselt saavutatud sügav arusaam komposiitpaneelide mehaanilistest omadustest eksperimentaalsete ja numbriliste uuringute ning komposiitpaneelide mehaaniliste omaduste hindamise kaudu pinnakoormuse all. Digitaalse disaini ja valmistamise töövoo üldine kontseptsioon ning eksperimentaalsete uuringute tulemused annavad aluse kuju määratlemise ja analüüsi meetodite edasiseks integreerimiseks, samuti ulatuslike mehhaaniliste uuringute läbiviimiseks tulevastes uuringutes.
Digitaalsed tootmismeetodid võimaldavad meil tootmist täiustada, muutes traditsioonilisi meetodeid ja pakkudes uusi disainivõimalusi [1]. Traditsioonilised ehitusmeetodid kasutavad kulusid, põhigeomeetriat ja ohutust silmas pidades materjale üle. Viies ehituse tehastesse, kasutades uute projekteerimismeetodite rakendamiseks modulaarset eelvalmistamist ja robootikat, saab materjale kasutada tõhusalt, ilma et see ohustaks ohutust. Digitaalne tootmine võimaldab meil laiendada oma disainikujutlusvõimet, et luua mitmekesisemaid, tõhusamaid ja ambitsioonikamaid geomeetrilisi kujundeid. Kuigi projekteerimis- ja arvutusprotsessid on suures osas digiteeritud, toimub tootmine ja kokkupanek endiselt suures osas käsitsi traditsioonilisel viisil. Üha keerukamate vabakujuliste struktuuridega toimetulekuks muutuvad digitaalsed tootmisprotsessid üha olulisemaks. Soov vabaduse ja disaini paindlikkuse järele, eriti kui tegemist on fassaadidega, kasvab pidevalt. Lisaks visuaalsele efektile võimaldavad vabakujulised fassaadid luua ka efektiivsemaid struktuure, näiteks membraaniefektide kasutamise abil [2]. Lisaks seisneb digitaalsete tootmisprotsesside suur potentsiaal nende efektiivsuses ja disaini optimeerimise võimaluses.
Selles artiklis uuritakse, kuidas saab digitaaltehnoloogiat kasutada uuendusliku komposiitfassaadipaneeli kavandamiseks ja tootmiseks, mis koosneb lisandina valmistatud polümeersüdamikust ja liimitud õhukestest klaasist välispaneelidest. Lisaks õhukese klaasi kasutamisega kaasnevatele uutele arhitektuursetele võimalustele on hoone välispiirete ehitamisel oluliseks ajendiks olnud ka keskkonna- ja majanduskriteeriumid. Kliimamuutuste, ressursside nappuse ja tulevikus kasvavate energiahindade tõttu tuleb klaasi targemini kasutada. Elektroonikatööstusest pärit õhukese alla 2 mm paksuse klaasi kasutamine muudab fassaadi kergeks ja vähendab tooraine kasutamist.
Tänu õhukese klaasi suurele paindlikkusele avab see uusi võimalusi arhitektuurilisteks rakendusteks ja seab samal ajal uusi insenertehnilisi väljakutseid [3,4,5,6]. Kuigi õhukest klaasi kasutavate fassaadiprojektide praegune elluviimine on piiratud, kasutatakse õhukest klaasi üha enam tsiviilehituses ja arhitektuuriõppes. Tänu õhukese klaasi suurele elastsele deformatsioonivõimele nõuab selle kasutamine fassaadides tugevdatud konstruktsioonilahendusi [7]. Lisaks kõverast geomeetriast [8] tuleneva membraaniefekti ärakasutamisele saab inertsmomenti suurendada ka mitmekihilise struktuuriga, mis koosneb polümeersüdamikust ja liimitud õhukesest klaasist välislehest. Selline lähenemine on näidanud paljulubavust tänu kõva läbipaistva polükarbonaadi südamiku kasutamisele, mis on klaasist vähem tihe. Lisaks positiivsele mehaanilisele toimele olid täidetud täiendavad ohutuskriteeriumid [9].
Järgneva uuringu lähenemisviis põhineb samal kontseptsioonil, kuid kasutab lisandina valmistatud avatud pooridega poolläbipaistvat südamikku. See tagab suurema geomeetrilise vabaduse ja projekteerimisvõimaluste, samuti hoone füüsiliste funktsioonide integreerimise [10]. Sellised komposiitpaneelid on osutunud eriti tõhusaks mehaanilistes katsetes [11] ja lubavad vähendada kasutatava klaasi kogust kuni 80%. See mitte ainult ei vähenda vajalikke ressursse, vaid vähendab oluliselt ka paneelide kaalu, suurendades seeläbi aluskonstruktsiooni tõhusust. Kuid uued ehitusvormid nõuavad uusi tootmisvorme. Tõhusad struktuurid nõuavad tõhusaid tootmisprotsesse. Digitaalne disain aitab kaasa digitaalsele tootmisele. Käesolev artikkel jätkab autori varasemat uurimistööd, tutvustades tööstusrobotite õhukeste klaaskomposiitpaneelide digitaalse tootmisprotsessi uuringut. Keskendutakse esimeste suureformaadiliste prototüüpide failist tehasesse töövoo digiteerimisele, et suurendada tootmisprotsessi automatiseerimist.
Komposiitpaneel (joonis 1) koosneb kahest õhukesest klaaskattest, mis on mähitud ümber AM-polümeeri südamiku. Kaks osa on liimiga ühendatud. Selle konstruktsiooni eesmärk on jaotada koormust kogu sektsioonile võimalikult tõhusalt. Paindemomendid tekitavad kestas normaalseid pingeid. Külgjõud põhjustavad südamiku- ja liimühendustes nihkepingeid.
Sandwich-struktuuri välimine kiht on valmistatud õhukesest klaasist. Põhimõtteliselt kasutatakse sooda-lubi-silikaatklaasi. Sihtpaksusega < 2 mm saavutab termilise karastamise protsess praeguse tehnoloogilise piiri. Keemiliselt tugevdatud alumosilikaatklaasi võib pidada eriti sobivaks, kui konstruktsiooni (nt külmvolditud paneelid) või kasutuse tõttu on vaja suuremat tugevust [12]. Valguse läbilaskvuse ja keskkonnakaitse funktsioone täiendavad head mehaanilised omadused, nagu hea kriimustuskindlus ja suhteliselt kõrge Youngi moodul võrreldes teiste komposiitmaterjalides kasutatavate materjalidega. Keemiliselt karastatud õhukese klaasi piiratud suuruse tõttu kasutati esimese suuremahulise prototüübi loomiseks täielikult karastatud 3 mm paksusest sooda-lubiklaasist paneele.
Kandekonstruktsiooni peetakse komposiitpaneeli vormitud osaks. See mõjutab peaaegu kõiki atribuute. Tänu aditiivsele tootmismeetodile on see ka digitaalse tootmisprotsessi keskpunkt. Termoplasti töödeldakse sulatamise teel. See võimaldab kasutada suurt hulka erinevaid polümeere konkreetsetes rakendustes. Põhielementide topoloogiat saab kujundada erineva rõhuasetusega sõltuvalt nende funktsioonist. Sel eesmärgil saab kujukujunduse jagada nelja järgmisesse disainikategooriasse: struktuurne disain, funktsionaalne disain, esteetiline disain ja tootmisdisain. Igal kategoorial võivad olla erinevad eesmärgid, mis võivad viia erinevate topoloogiateni.
Eeluuringu käigus testiti osade põhiprojektide konstruktsiooni sobivust [11]. Mehaanilisest vaatenurgast on güroskoobi kolmeperioodi minimaalne südamikupind eriti tõhus. See tagab kõrge mehaanilise vastupidavuse paindumisele suhteliselt väikese materjalikulu juures. Lisaks pinnapiirkondades reprodutseeritud raku põhistruktuuridele saab topoloogiat genereerida ka muude kuju leidmise tehnikatega. Pingutusjoone genereerimine on üks võimalikke viise jäikuse optimeerimiseks võimalikult väikese kaalu juures [13]. Tootmisliini arendamise lähtekohaks on aga kasutatud kärgstruktuuri, mida kasutatakse laialdaselt sandwich-konstruktsioonides. See põhivorm viib tootmises kiire edenemiseni, eriti tänu lihtsale tööraja programmeerimisele. Selle käitumist komposiitpaneelides on põhjalikult uuritud [14, 15, 16] ja välimust saab parameetrite abil mitmel viisil muuta ning seda saab kasutada ka esialgsete optimeerimiskontseptsioonide jaoks.
Sõltuvalt kasutatavast ekstrusiooniprotsessist tuleb polümeeri valimisel arvestada paljude termoplastiliste polümeeridega. Väikesemahuliste materjalide esialgsed uuringud on vähendanud fassaadides kasutamiseks sobivate polümeeride arvu [11]. Polükarbonaat (PC) on paljulubav tänu oma kuumakindlusele, UV-kindlusele ja suurele jäikusele. Polükarbonaadi töötlemiseks vajalike täiendavate tehniliste ja rahaliste investeeringute tõttu kasutati esimeste prototüüpide tootmiseks etüleenglükooliga modifitseeritud polüetüleentereftalaati (PETG). Seda on eriti lihtne töödelda suhteliselt madalatel temperatuuridel, madala termilise pinge ja komponentide deformatsiooni ohuga. Siin näidatud prototüüp on valmistatud taaskasutatud PETG-st, mida nimetatakse PIPG-ks. Materjali kuivatati eelnevalt temperatuuril 60 °C vähemalt 4 tundi ja töödeldi graanuliteks klaaskiu sisaldusega 20% [17].
Liim tagab tugeva sideme polümeeri südamiku struktuuri ja õhukese klaaskaane vahel. Kui komposiitpaneelidele avaldatakse paindekoormust, mõjuvad liimühendused nihkepingele. Seetõttu eelistatakse kõvemat liimi ja see võib vähendada läbipainde. Läbipaistvad liimid aitavad tagada ka kvaliteetset visuaalset kvaliteeti, kui need on liimitud läbipaistva klaasiga. Teine oluline tegur liimi valimisel on valmistatavus ja integreeritus automatiseeritud tootmisprotsessidesse. Siin võivad paindliku kõvenemisajaga UV-kõvastuvad liimid kattekihtide positsioneerimist oluliselt lihtsustada. Eelkatsete põhjal testiti rida liimaineid nende sobivuse osas õhukeste klaaskomposiitpaneelide jaoks [18]. Loctite® AA 3345™ UV-kõvastuv akrülaat [19] osutus eriti sobivaks järgmise protsessi jaoks.
Lisandite valmistamise võimaluste ja õhukese klaasi paindlikkuse ärakasutamiseks kavandati kogu protsess töötama digitaalselt ja parameetriliselt. Grasshopperit kasutatakse visuaalse programmeerimisliidesena, vältides liideseid erinevate programmide vahel. Kõik erialad (inseneriteadus, inseneritöö ja tootmine) toetavad ja täiendavad üksteist ühes failis, millel on operaatorilt otsene tagasiside. Uuringu selles etapis on töövoog veel väljatöötamisel ja järgib joonisel 2 näidatud mustrit. Erinevaid eesmärke saab rühmitada erialade piires kategooriatesse.
Kuigi selles artiklis käsitletud sandwich-paneelide tootmine on automatiseeritud kasutajakeskse projekteerimise ja valmistamise ettevalmistamisega, ei ole üksikute inseneritööriistade integreerimine ja valideerimine täielikult realiseeritud. Fassaadi geomeetria parameetrilisest projektist lähtuvalt on võimalik projekteerida hoone väliskest makrotasandil (fassaad) ja meso (fassaadipaneelid). Teises etapis on inseneri tagasiside ahela eesmärk hinnata kardinaseina valmistamise ohutust ja sobivust ning elujõulisust. Lõpuks on saadud paneelid digitaalseks tootmiseks valmis. Programm töötleb väljatöötatud tuumstruktuuri masinloetavas G-koodis ja valmistab selle ette aditiivseks tootmiseks, lahutavaks järeltöötluseks ja klaasi sidumiseks.
Projekteerimisprotsessi käsitletakse kahel erineval tasemel. Lisaks sellele, et fassaadide makrokuju mõjutab iga komposiitpaneeli geomeetriat, saab ka südamiku enda topoloogiat kujundada mesotasandil. Parameetrilise fassaadimudeli kasutamisel saab kuju ja välimust mõjutada näidisfassaadi lõikude abil, kasutades joonisel 3 näidatud liugureid. Seega koosneb kogupind kasutaja määratud skaleeritavast pinnast, mida saab deformeerida punktiatraktorite abil ja muuta määratledes minimaalse ja maksimaalse deformatsiooniastme. See tagab hoone välispiirete projekteerimisel suure paindlikkuse. Seda vabadusastet piiravad aga tehnilised ja tootmispiirangud, mida seejärel mängivad üles inseneriosa algoritmid.
Lisaks kogu fassaadi kõrgusele ja laiusele määratakse fassaadipaneelide jaotus. Mis puutub üksikutesse fassaadipaneelidesse, siis neid saab täpsemalt määratleda mesotasandil. See mõjutab nii südamiku struktuuri topoloogiat kui ka klaasi paksust. Neil kahel muutujal ja ka paneeli suurusel on oluline seos masinaehituse modelleerimisega. Kogu makro- ja mesotasandi kujundamist ja arendust saab optimeerimise mõttes läbi viia neljas struktuuri, funktsiooni, esteetika ja toote disaini kategoorias. Kasutajad saavad hoone välispiirde üldist välimust ja tunnetust arendada, seades need alad esikohale.
Projekti toetab inseneriosa, kasutades tagasisideahelat. Selleks on defineeritud eesmärgid ja piirtingimused optimeerimiskategoorias, mis on näidatud joonisel 2. Need pakuvad koridore, mis on tehniliselt teostatavad, füüsiliselt usaldusväärsed ja inseneri seisukohast ohutud, millel on oluline mõju projekteerimisele. See on lähtepunkt erinevatele tööriistadele, mida saab otse Grasshopperi integreerida. Edasistes uuringutes saab mehaanilisi omadusi hinnata lõplike elementide analüüsi (FEM) või isegi analüütiliste arvutuste abil.
Lisaks saavad päikesekiirguse uuringud, vaatevälja analüüs ja päikesepaiste kestuse modelleerimine hinnata komposiitpaneelide mõju ehitusfüüsikale. Oluline on mitte liigselt piirata projekteerimisprotsessi kiirust, tõhusust ja paindlikkust. Sellisena on siin saadud tulemused kavandatud pakkuma täiendavaid juhiseid ja tuge projekteerimisprotsessile ning need ei asenda üksikasjalikku analüüsi ja põhjendusi projekteerimisprotsessi lõpus. See strateegiline plaan paneb aluse edasistele kategoorilistele uuringutele tõestatud tulemuste saamiseks. Näiteks komposiitpaneelide mehaanilise käitumise kohta erinevates koormus- ja tugitingimustes on veel vähe teada.
Kui projekteerimine ja projekteerimine on lõpetatud, on mudel digitaalseks tootmiseks valmis. Tootmisprotsess on jagatud neljaks alametapiks (joonis 4). Esiteks valmistati põhistruktuur täiendavalt, kasutades suuremahulist robot-3D-printimisseadet. Seejärel freesitakse pind sama robotsüsteemi abil, et parandada hea nakkumiseks vajalikku pinnakvaliteeti. Pärast jahvatamist kantakse liim piki südamiku struktuuri, kasutades selleks spetsiaalselt loodud doseerimissüsteemi, mis on paigaldatud samale robotsüsteemile, mida kasutatakse trükkimise ja freesimise protsessis. Lõpuks paigaldatakse ja paigaldatakse klaas enne liimitud vuugi UV-kõvastumist.
Lisatootmise puhul tuleb aluseks oleva struktuuri määratletud topoloogia tõlkida CNC masinakeelde (GCode). Ühtlaste ja kvaliteetsete tulemuste saavutamiseks on eesmärk printida iga kiht ilma, et ekstruuderi otsik maha kukuks. See hoiab ära soovimatu ülerõhu liikumise alguses ja lõpus. Seetõttu kirjutati kasutatava raku mustri jaoks pidev trajektoori genereerimise skript. See loob sama algus- ja lõpp-punktiga parameetrilise pideva polüliini, mis kohandub valitud paneeli suuruse, kärgede arvu ja suurusega vastavalt kujundusele. Lisaks saab enne joonte paigaldamist määrata sellised parameetrid nagu joone laius ja kõrgus, et saavutada põhikonstruktsiooni soovitud kõrgus. Skripti järgmine samm on G-koodi käskude kirjutamine.
Selleks salvestatakse joone iga punkti koordinaadid koos täiendava masinateabega, nagu muud asjakohased teljed positsioneerimiseks ja väljapressimise helitugevuse reguleerimiseks. Saadud G-koodi saab seejärel tootmismasinatele üle kanda. Selles näites kasutatakse CEAD E25 ekstruuderi juhtimiseks vastavalt G-koodile (joonis 5) lineaarsel siinil asuvat Comau NJ165 tööstuslikku robotkätt. Esimeses prototüübis kasutati postindustriaalset PETG-d, mille klaaskiu sisaldus oli 20%. Mehaanilise testimise osas on sihtsuurus lähedane ehitustööstuse mõõtmetele, seega on põhielemendi mõõtmed 1983 × 876 mm koos 6 × 4 kärgstruktuuriga. Kõrgus 6 mm ja 2 mm.
Esialgsed katsed on näidanud, et liimi ja 3D-printimise vaigu nakketugevus on erinev sõltuvalt selle pinna omadustest. Selleks liimitakse või lamineeritakse klaasile lisaainete valmistamise katsekehad ja neid pingutatakse või nihutatakse. Polümeerpinna mehaanilisel eeltöötlemisel freesimisega suurenes tugevus oluliselt (joon. 6). Lisaks parandab see südamiku tasasust ja hoiab ära liigsest väljapressimisest põhjustatud defektid. Siin kasutatav UV-kiirgusega kõvenev LOCTITE® AA 3345™ [19] akrülaat on töötlemistingimuste suhtes tundlik.
Selle tulemuseks on sageli sidemetesti proovide suurem standardhälve. Pärast lisandite valmistamist freesiti südamiku struktuur profiilfreespingil. Selle toimingu jaoks vajalik G-kood genereeritakse automaatselt 3D-printimise protsessi jaoks juba loodud tööradadest. Südamiku struktuur tuleb trükkida kavandatavast südamiku kõrgusest veidi kõrgemale. Selles näites on 18 mm paksune südamiku struktuur vähendatud 14 mm-ni.
See tootmisprotsessi osa on täieliku automatiseerimise jaoks suur väljakutse. Liimide kasutamine seab masinate täpsusele ja täpsusele kõrged nõudmised. Pneumaatilist doseerimissüsteemi kasutatakse liimi kandmiseks piki südamiku struktuuri. Robot juhib seda mööda freespinda vastavalt määratletud tööriista teekonnale. Selgub, et traditsioonilise jaotusotsiku asendamine harjaga on eriti soodne. See võimaldab madala viskoossusega liime jaotada ühtlaselt mahu järgi. Selle koguse määrab süsteemis olev rõhk ja roboti kiirus. Suurema täpsuse ja kõrge liimimiskvaliteedi saavutamiseks eelistatakse väikeseid liikumiskiirusi 200 kuni 800 mm/min.
Akrülaat keskmise viskoossusega 1500 mPa*s kanti 6 mm laiusele polümeersüdamiku seinale, kasutades doseerimisharja siseläbimõõduga 0,84 mm ja harja laiusega 5, rakendatud rõhul 0,3 kuni 0,6 mbar. mm. Seejärel jaotatakse liim aluspinna pinnale ja moodustab pindpinevuse tõttu 1 mm paksuse kihi. Liimi paksuse täpset määramist ei saa veel automatiseerida. Protsessi kestus on liimi valimisel oluline kriteerium. Siin toodetud südamiku konstruktsiooni rööbastee pikkus on 26 m ja seetõttu on kasutusaeg 30–60 minutit.
Pärast liimi pealekandmist paigaldage topeltklaasiga aken oma kohale. Materjali väikese paksuse tõttu deformeerub õhuke klaas juba oma raskusega tugevalt ja seetõttu tuleb see võimalikult ühtlaselt paigutada. Selleks kasutatakse ajaliselt hajutatud iminappadega pneumaatilisi klaasist iminappe. See asetatakse komponendile kraana abil ja tulevikus võib selle asetada otse robotite abil. Klaasplaat asetati paralleelselt südamiku pinnaga liimikihile. Kergema kaalu tõttu suurendab sellele avaldatavat survet lisaklaasplaat (paksus 4 kuni 6 mm).
Tulemuseks peaks olema klaasipinna täielik märgumine piki südamiku struktuuri, nagu võib otsustada nähtavate värvierinevuste esmase visuaalse kontrolli põhjal. Pealekandmisprotsess võib samuti oluliselt mõjutada lõpliku liimitud liite kvaliteeti. Pärast liimimist ei tohi klaaspaneele liigutada, kuna see põhjustab klaasile nähtavaid liimijääke ja tegeliku liimikihi defekte. Lõpuks kõveneb liim UV-kiirgusega lainepikkusel 365 nm. Selleks lastakse 60 s jooksul järk-järgult üle kogu liimipinna UV-lampi võimsustihedusega 6 mW/cm2.
Siin käsitletud kergekaaluliste ja kohandatavate õhukeste klaaskomposiitpaneelide kontseptsioon koos lisandina valmistatud polümeersüdamikuga on mõeldud kasutamiseks tulevastes fassaadides. Seega peavad komposiitpaneelid vastama kehtivatele standarditele ning vastama teeninduspiirseisundite (SLS), piirtugevuse piirseisundite (ULS) ja ohutusnõuete nõuetele. Seetõttu peavad komposiitpaneelid olema ohutud, tugevad ja piisavalt jäigad, et taluda koormusi (nt pinnakoormust) ilma purunemise või liigse deformatsioonita. Varem valmistatud õhukeste klaaskomposiitpaneelide mehaanilise reaktsiooni uurimiseks (nagu on kirjeldatud jaotises Mehaaniline katsetamine) tehti neile tuulekoormuse testid, nagu on kirjeldatud järgmises alajaotuses.
Füüsikalise testimise eesmärk on uurida välisseinte komposiitpaneelide mehaanilisi omadusi tuulekoormuse all. Selleks valmistati ülalkirjeldatud viisil komposiitpaneelid, mis koosnesid 3 mm paksusest täiskarastatud klaasist välislehest ja 14 mm paksusest lisandiga valmistatud südamikust (PIPG-GF20), kasutades Henkel Loctite AA 3345 liimi (joonis 7 vasakul). )). . Seejärel kinnitatakse komposiitpaneelid puidust tugiraami külge metallkruvidega, mis keeratakse läbi puitkarkassi ja põhikonstruktsiooni külgedesse. Paneeli perimeetri ümber asetati 30 kruvi (vt joonisel 7 vasakul olevat musta joont), et reprodutseerida perimeetri lineaarseid tugitingimusi võimalikult täpselt.
Seejärel tihendati katseraam välise katseseina külge, rakendades komposiitpaneeli taga tuulesurvet või tuule imemist (joonis 7, üleval paremal). Andmete salvestamiseks kasutatakse digitaalset korrelatsioonisüsteemi (DIC). Selleks kaetakse komposiitpaneeli välimine klaas õhukese elastse lehega, millele on trükitud pärlmutriline müramuster (joon. 7, all paremal). DIC kasutab kahte kaamerat, et salvestada kõigi mõõtmispunktide suhteline asukoht kogu klaasipinnal. Salvestati kaks pilti sekundis ja neid kasutati hindamiseks. Rõhku komposiitpaneelidega ümbritsetud kambris suurendatakse ventilaatori abil 1000 Pa sammuga kuni maksimaalse väärtuseni 4000 Pa, nii et iga koormuse taset hoitakse 10 sekundit.
Katse füüsilist seadistust esindab ka samade geomeetriliste mõõtmetega arvmudel. Selleks kasutatakse numbriprogrammi Ansys Mechanical. Südamiku struktuur oli geomeetriline võrk, kasutades SOLID 185 kuusnurkseid elemente 20 mm külgedega klaasi jaoks ja SOLID 187 tetraeedrilisi elemente 3 mm külgedega. Modelleerimise lihtsustamiseks eeldatakse selles uuringu etapis siin, et kasutatav akrülaat on ideaaljuhul jäik ja õhuke ning seda määratletakse kui jäika sidet klaasi ja südamiku materjali vahel.
Komposiitpaneelid on fikseeritud sirgjooneliselt väljaspool südamikku ja klaaspaneelile avaldatakse pindsurvekoormust 4000 Pa. Kuigi modelleerimisel võeti arvesse geomeetrilisi mittelineaarsusi, kasutati selles etapis ainult lineaarseid materjalimudeleid. uuring. Kuigi see on kehtiv eeldus klaasi lineaarse elastsusreaktsiooni kohta (E = 70 000 MPa), kasutati (viskoelastse) polümeerse südamiku materjali tootja andmelehe [17] järgi lineaarset jäikust E = 8245 MPa. praegust analüüsi tuleks hoolikalt kaaluda ja seda uuritakse tulevastes uuringutes.
Siin esitatud tulemusi on hinnatud peamiselt deformatsioonide kohta maksimaalse tuulekoormuse korral kuni 4000 Pa (=ˆ4kN/m2). Selleks võrreldi DIC-meetodil salvestatud pilte numbrilise simulatsiooni (FEM) tulemustega (joonis 8, all paremal). Kui FEM-is arvutatakse ideaalne kogu deformatsioon 0 mm koos "ideaalsete" lineaarsete tugedega servapiirkonnas (st paneeli ümbermõõt), tuleb DIC-i hindamisel arvesse võtta servapiirkonna füüsilist nihet. See on tingitud paigaldustolerantsidest ning katseraami ja selle tihendite deformatsioonist. Võrdluseks, keskmine nihe servapiirkonnas (katkendlik valge joon joonisel 8) lahutati maksimaalsest nihkest paneeli keskel. DIC ja FEA poolt määratud nihkeid võrreldakse tabelis 1 ja need on graafiliselt näidatud joonise 8 vasakus ülanurgas.
Eksperimentaalse mudeli nelja rakendatud koormustaset kasutati hindamise kontrollpunktidena ja neid hinnati FEM-is. Komposiitplaadi maksimaalne tsentraalne nihe koormamata olekus määrati DIC-mõõtmiste abil koormustasemel 4000 Pa 2,18 mm juures. Kuigi FEA nihked väiksematel koormustel (kuni 2000 Pa) suudavad endiselt täpselt reprodutseerida katseväärtusi, ei saa suurema koormuse korral mittelineaarset deformatsiooni suurenemist täpselt arvutada.
Uuringud on aga näidanud, et komposiitpaneelid taluvad äärmuslikke tuulekoormusi. Eriti paistab silma kergpaneelide suur jäikus. Kasutades Kirchhoffi plaatide lineaarteoorial [20] põhinevaid analüütilisi arvutusi, vastab 2,18 mm deformatsioon 4000 Pa juures ühe 12 mm paksuse klaasplaadi deformatsioonile samadel piirtingimustel. Selle tulemusena saab selle komposiitpaneeli klaasi paksust (mis on tootmises energiamahukas) vähendada 2 x 3 mm klaasini, mille tulemuseks on 50% materjalisääst. Paneeli üldkaalu vähendamine annab kokkupanekul täiendavaid eeliseid. Kui 30 kg komposiitpaneeli saab hõlpsasti käsitseda kaks inimest, siis traditsioonilise 50 kg klaaspaneeli ohutuks liikumiseks on vaja tehnilist tuge. Mehaanilise käitumise täpseks esitamiseks on tulevastes uuringutes vaja üksikasjalikumaid numbrilisi mudeleid. Lõplike elementide analüüsi saab veelgi täiustada ulatuslikumate mittelineaarsete materjalimudelitega polümeeride ja liimsideme modelleerimiseks.
Digitaalsete protsesside arendamine ja täiustamine mängivad ehitustööstuse majandus- ja keskkonnategevuse parandamisel võtmerolli. Lisaks lubab õhukese klaasi kasutamine fassaadidel energia- ja ressursisäästu ning avab arhitektuurile uusi võimalusi. Klaasi väikese paksuse tõttu on aga klaasi piisavaks tugevdamiseks vaja uusi disainilahendusi. Seetõttu uurib käesolevas artiklis esitatud uuring õhukesest klaasist ja ühendatud tugevdatud 3D-prinditud polümeeri südamikustruktuuridest valmistatud komposiitpaneelide kontseptsiooni. Kogu tootmisprotsess projekteerimisest tootmiseni on digitaliseeritud ja automatiseeritud. Grasshopperi abiga töötati välja failist tehaseni töövoog, mis võimaldab tulevastes fassaadides kasutada õhukesi klaaskomposiitpaneele.
Esimese prototüübi tootmine demonstreeris robottootmise teostatavust ja väljakutseid. Kuigi aditiivne ja lahutav tootmine on juba hästi integreeritud, on täisautomaatne liimide pealekandmine ja kokkupanek eeskätt täiendavate väljakutsetega, millega tuleb tulevastes teadusuuringutes tegeleda. Esialgse mehaanilise testimise ja sellega seotud lõplike elementide uurimise modelleerimisega on näidatud, et kerged ja õhukesed klaaskiudpaneelid tagavad nende kavandatud fassaadirakenduste jaoks piisava paindejäikuse isegi äärmuslike tuulekoormuse tingimustes. Autorite käimasolevad uuringud uurivad veelgi digitaalselt valmistatud õhukeste klaaskomposiitpaneelide potentsiaali fassaadirakenduste jaoks ja näitavad nende tõhusust.
Autorid soovivad tänada kõiki selle uurimistööga seotud toetajaid. Tänu EFRE SAB rahastusprogrammile, mida rahastatakse Euroopa Liidu vahenditest toetuse nr näol rahaliste vahendite võimaldamiseks ekstruuderiga manipulaatori ja freesseadme soetamiseks. 100537005. Lisaks tunnustati AiF-ZIM-i Glasfur3D uurimisprojekti (grandi number ZF4123725WZ9) rahastamise eest koostöös Glaswerkstätten Glas Ahnega, mis pakkus sellele uurimistööle märkimisväärset tuge. Lõpuks tunnustavad Friedrich Siemensi labor ja selle kaastöötajad, eriti Felix Hegewald ja üliõpilaste assistent Jonathan Holzerr, tehnilist tuge ning selle töö aluseks olnud valmistamise ja füüsilise testimise rakendamist.
Postitusaeg: august 04-2023