Upotreba tankog stakla obećava ispunjavanje raznih zadataka u građevinskoj industriji. Uz ekološke prednosti učinkovitijeg korištenja resursa, arhitekti mogu koristiti tanko staklo za postizanje novih stupnjeva slobode dizajna. Na temelju teorije sendviča, fleksibilno tanko staklo može se kombinirati s 3D ispisanom polimernom jezgrom otvorenih ćelija kako bi se formiralo vrlo kruto i lagano
kompozitni elementi. Ovaj članak predstavlja istraživački pokušaj digitalne izrade fasadnih panela od tankog stakla i kompozita pomoću industrijskih robota. Objašnjava koncept digitalizacije radnih procesa od tvornice do tvornice, uključujući računalno potpomognuti dizajn (CAD), inženjering (CAE) i proizvodnju (CAM). Studija demonstrira proces parametarskog dizajna koji omogućuje besprijekornu integraciju alata za digitalnu analizu.
Osim toga, ovaj proces pokazuje potencijal i izazove digitalne proizvodnje kompozitnih ploča od tankog stakla. Ovdje su objašnjeni neki od proizvodnih koraka koje izvodi industrijska robotska ruka, kao što je aditivna proizvodnja velikog formata, površinska strojna obrada, lijepljenje i procesi sklapanja. Konačno, po prvi put, postignuto je duboko razumijevanje mehaničkih svojstava kompozitnih ploča kroz eksperimentalne i numeričke studije i procjenu mehaničkih svojstava kompozitnih ploča pod površinskim opterećenjem. Cjelokupni koncept digitalnog dizajna i tijeka izrade, kao i rezultati eksperimentalnih studija, pružaju osnovu za daljnju integraciju metoda definiranja oblika i analize, kao i za provođenje opsežnih mehaničkih studija u budućim studijama.
Digitalne metode proizvodnje omogućuju nam da poboljšamo proizvodnju transformacijom tradicionalnih metoda i pružanjem novih mogućnosti dizajna [1]. Tradicionalne metode gradnje imaju tendenciju pretjerane upotrebe materijala u smislu cijene, osnovne geometrije i sigurnosti. Premještanjem gradnje u tvornice, korištenjem modularne prefabrikacije i robotike za implementaciju novih metoda dizajna, materijali se mogu koristiti učinkovito bez ugrožavanja sigurnosti. Digitalna proizvodnja omogućuje nam da proširimo svoju dizajnersku maštu kako bismo stvorili raznolikije, učinkovitije i ambicioznije geometrijske oblike. Iako su procesi dizajna i proračuna uglavnom digitalizirani, proizvodnja i montaža još uvijek se uglavnom obavljaju ručno na tradicionalne načine. Kako bi se nosili sa sve složenijim strukturama slobodnog oblika, digitalni proizvodni procesi postaju sve važniji. Želja za slobodom i fleksibilnošću dizajna, posebice kada je riječ o fasadama, u stalnom je porastu. Osim vizualnog učinka, fasade slobodnog oblika također vam omogućuju stvaranje učinkovitijih struktura, na primjer, korištenjem membranskih efekata [2]. Osim toga, veliki potencijal digitalnih proizvodnih procesa leži u njihovoj učinkovitosti i mogućnosti optimizacije dizajna.
Ovaj članak istražuje kako se digitalna tehnologija može koristiti za projektiranje i proizvodnju inovativne kompozitne fasadne ploče koja se sastoji od aditivno izrađene polimerne jezgre i spojenih tankih staklenih vanjskih ploča. Uz nove arhitektonske mogućnosti povezane s upotrebom tankog stakla, ekološki i ekonomski kriteriji također su bili važni motivi za korištenje manje materijala za izgradnju ovojnice zgrade. Uz klimatske promjene, nedostatak resursa i rastuće cijene energije u budućnosti, staklo se mora koristiti pametnije. Korištenje tankog stakla manjeg od 2 mm debljine iz elektroničke industrije čini fasadu laganom i smanjuje potrošnju sirovina.
Zbog visoke fleksibilnosti tankog stakla, ono otvara nove mogućnosti za arhitektonsku primjenu, a istovremeno postavlja nove inženjerske izazove [3,4,5,6]. Dok je trenutna implementacija fasadnih projekata koji koriste tanko staklo ograničena, tanko staklo se sve više koristi u građevinarstvu i arhitektonskim studijama. Zbog velike sposobnosti tankog stakla na elastičnu deformaciju, njegova primjena u fasadama zahtijeva ojačana konstruktivna rješenja [7]. Osim iskorištavanja membranskog efekta zbog zakrivljene geometrije [8], moment tromosti može se povećati i višeslojnom strukturom koja se sastoji od polimerne jezgre i zalijepljenog tankog staklenog vanjskog lista. Ovaj se pristup pokazao obećavajućim zbog upotrebe tvrde prozirne polikarbonatne jezgre, koja je manje gustoća od stakla. Osim pozitivnog mehaničkog djelovanja, zadovoljeni su i dodatni sigurnosni kriteriji [9].
Pristup u sljedećoj studiji temelji se na istom konceptu, ali uz korištenje aditivno proizvedene prozirne jezgre s otvorenim porama. To jamči veći stupanj geometrijske slobode i mogućnosti oblikovanja, kao i integraciju fizičkih funkcija zgrade [10]. Takve kompozitne ploče pokazale su se posebno učinkovitima u mehaničkim ispitivanjima [11] i obećavaju smanjenje količine korištenog stakla do 80%. Ovo ne samo da će smanjiti potrebna sredstva, već i značajno smanjiti težinu panela, čime će se povećati učinkovitost podkonstrukcije. Ali novi oblici izgradnje zahtijevaju nove oblike proizvodnje. Učinkovite strukture zahtijevaju učinkovite proizvodne procese. Digitalni dizajn doprinosi digitalnoj proizvodnji. Ovaj se članak nastavlja na prethodna autorova istraživanja predstavljajući studiju digitalnog procesa proizvodnje tankih staklenih kompozitnih ploča za industrijske robote. Fokus je na digitalizaciji tijeka rada od datoteke do tvornice prvih prototipova velikog formata kako bi se povećala automatizacija proizvodnog procesa.
Kompozitna ploča (Slika 1) sastoji se od dva tanka staklena sloja omotana oko AM polimerne jezgre. Dva dijela su spojena ljepilom. Svrha ovog dizajna je što učinkovitija raspodjela opterećenja po cijelom dijelu. Momenti savijanja stvaraju normalna naprezanja u ljusci. Bočne sile uzrokuju posmična naprezanja u jezgri i ljepljivim spojevima.
Vanjski sloj sendvič strukture izrađen je od tankog stakla. U principu će se koristiti soda-lime silikatno staklo. Kod ciljane debljine < 2 mm, proces toplinskog kaljenja doseže trenutnu tehnološku granicu. Kemijski ojačano aluminosilikatno staklo može se smatrati posebno prikladnim ako je potrebna veća čvrstoća zbog dizajna (npr. hladno presavijene ploče) ili uporabe [12]. Prijenos svjetlosti i funkcije zaštite okoliša bit će dopunjene dobrim mehaničkim svojstvima kao što je dobra otpornost na ogrebotine i relativno visok Youngov modul u usporedbi s drugim materijalima koji se koriste u kompozitima. Zbog ograničene veličine dostupne za kemijski kaljeno tanko staklo, za izradu prvog prototipa velikih razmjera korištene su ploče od potpuno kaljenog soda-lime stakla debljine 3 mm.
Nosiva konstrukcija smatra se oblikovanim dijelom kompozitne ploče. To utječe na gotovo sve atribute. Zahvaljujući aditivnoj metodi proizvodnje, također je središte procesa digitalne proizvodnje. Termoplasti se obrađuju topljenjem. To omogućuje korištenje velikog broja različitih polimera za specifične primjene. Topologija glavnih elemenata može se oblikovati s različitim naglaskom ovisno o njihovoj funkciji. U tu svrhu, dizajn oblika može se podijeliti u sljedeće četiri kategorije dizajna: konstrukcijski dizajn, funkcionalni dizajn, estetski dizajn i proizvodni dizajn. Svaka kategorija može imati različite svrhe, što može dovesti do različitih topologija.
Tijekom preliminarne studije ispitana je prikladnost nekih od glavnih dizajna [11]. S mehaničkog gledišta, troperiodna minimalna površina jezgre žiroskopa posebno je učinkovita. To osigurava visoku mehaničku otpornost na savijanje uz relativno malu potrošnju materijala. Uz stanične osnovne strukture reproducirane u površinskim područjima, topologija se također može generirati drugim tehnikama pronalaženja oblika. Generiranje linije naprezanja jedan je od mogućih načina optimizacije krutosti uz najmanju moguću težinu [13]. Međutim, struktura saća, koja se široko koristi u sendvič konstrukcijama, korištena je kao polazište za razvoj proizvodne linije. Ovaj osnovni oblik dovodi do brzog napretka u proizvodnji, posebno kroz jednostavno programiranje putanje alata. Njegovo ponašanje u kompozitnim pločama opsežno je proučavano [14, 15, 16], a izgled se može promijeniti na mnogo načina kroz parametrizaciju, a također se može koristiti za početne koncepte optimizacije.
Postoje mnogi termoplastični polimeri koje treba uzeti u obzir pri odabiru polimera, ovisno o korištenom procesu ekstruzije. Početne preliminarne studije malih materijala smanjile su broj polimera koji se smatraju prikladnima za upotrebu u fasadama [11]. Polikarbonat (PC) je obećavajući zbog svoje otpornosti na toplinu, UV otpornosti i velike krutosti. Zbog dodatnih tehničkih i financijskih ulaganja potrebnih za obradu polikarbonata, za proizvodnju prvih prototipova korišten je polietilen tereftalat modificiran etilen glikolom (PETG). Posebno se lako obrađuje na relativno niskim temperaturama s malim rizikom od toplinskog naprezanja i deformacije komponenti. Ovdje prikazani prototip napravljen je od recikliranog PETG-a pod nazivom PIPG. Materijal je prethodno sušen na 60°C najmanje 4 h i prerađen u granule s udjelom staklenih vlakana od 20% [17].
Ljepilo osigurava čvrstu vezu između strukture polimerne jezgre i tankog staklenog poklopca. Kada su kompozitne ploče izložene opterećenju savijanja, ljepljivi spojevi su izloženi smičnom naprezanju. Stoga je poželjno tvrđe ljepilo koje može smanjiti deformaciju. Prozirna ljepila također pomažu u pružanju visoke vizualne kvalitete kada se lijepe na prozirno staklo. Drugi važan čimbenik pri odabiru ljepila je mogućnost izrade i integracija u automatizirane proizvodne procese. Ovdje UV otvrdnjavajuća ljepila s fleksibilnim vremenima otvrdnjavanja mogu uvelike pojednostaviti pozicioniranje pokrovnih slojeva. Na temelju preliminarnih ispitivanja ispitana je prikladnost niza ljepila za tanke staklene kompozitne ploče [18]. Loctite® AA 3345™ UV stvrdnjavajući akrilat [19] pokazao se posebno prikladnim za sljedeći proces.
Kako bi se iskoristile mogućnosti aditivne proizvodnje i fleksibilnost tankog stakla, cijeli je proces osmišljen tako da radi digitalno i parametarski. Grasshopper se koristi kao vizualno programsko sučelje, izbjegavajući sučelja između različitih programa. Sve discipline (inženjering, inženjering i proizvodnja) međusobno će se podržavati i nadopunjavati u jednoj datoteci s izravnim povratnim informacijama od operatera. U ovoj fazi studije tijek rada je još uvijek u razvoju i slijedi obrazac prikazan na slici 2. Različiti ciljevi mogu se grupirati u kategorije unutar disciplina.
Iako je proizvodnja sendvič panela u ovom radu automatizirana s dizajnom usmjerenim na korisnika i pripremom izrade, integracija i validacija pojedinačnih inženjerskih alata nije u potpunosti realizirana. Na temelju parametarskog oblikovanja geometrije pročelja moguće je oblikovati vanjsku ovojnicu zgrade na makrorazini (fasada) i mezo (fasadni paneli). U drugom koraku, inženjerska povratna sprega ima za cilj procijeniti sigurnost i prikladnost, kao i održivost izrade zidnih zavjesa. Konačno, dobiveni paneli su spremni za digitalnu proizvodnju. Program obrađuje razvijenu središnju strukturu u strojno čitljivom G-kodu i priprema je za aditivnu proizvodnju, subtraktivnu naknadnu obradu i lijepljenje stakla.
Proces dizajna razmatra se na dvije različite razine. Osim što makro oblik fasada utječe na geometriju svakog kompozitnog panela, topologiju same jezgre moguće je projektirati i na mezorazini. Kada se koristi parametarski model fasade, na oblik i izgled može se utjecati primjerom fasadnih sekcija pomoću klizača prikazanih na slici 3. Dakle, ukupna se površina sastoji od korisnički definirane skalabilne površine koja se može deformirati pomoću točkastih atraktora i modificirati određivanje minimalnog i maksimalnog stupnja deformacije. To omogućuje visok stupanj fleksibilnosti u dizajnu ovojnica zgrade. Međutim, ovaj stupanj slobode ograničen je tehničkim i proizvodnim ograničenjima, koja se zatim koriste algoritmima u inženjerskom dijelu.
Osim visine i širine cijele fasade, određena je podjela fasadnih ploča. Što se tiče pojedinačnih fasadnih ploča, one se mogu preciznije definirati na mezorazini. To utječe na topologiju same strukture jezgre, kao i na debljinu stakla. Ove dvije varijable, kao i veličina ploče, imaju važnu vezu s modeliranjem strojarstva. Dizajn i razvoj cjelokupne makro i mezo razine može se provesti u smislu optimizacije u četiri kategorije strukture, funkcije, estetike i dizajna proizvoda. Korisnici mogu razviti cjelokupni izgled i dojam ovojnice zgrade davanjem prioriteta tim područjima.
Projekt je podržan od strane inženjerskog dijela pomoću povratne sprege. U tu svrhu, ciljevi i rubni uvjeti definirani su u kategoriji optimizacije prikazanoj na slici 2. Oni daju koridore koji su tehnički izvedivi, fizički ispravni i sigurni za izgradnju s inženjerske točke gledišta, što ima značajan utjecaj na dizajn. Ovo je početna točka za razne alate koji se mogu integrirati izravno u Grasshopper. U daljnjim istraživanjima, mehanička svojstva mogu se procijeniti korištenjem analize konačnih elemenata (FEM) ili čak analitičkih proračuna.
Osim toga, studije sunčevog zračenja, analiza vidnog polja i modeliranje trajanja sunčevog sjaja mogu procijeniti utjecaj kompozitnih ploča na građevinsku fiziku. Važno je ne ograničiti pretjerano brzinu, učinkovitost i fleksibilnost procesa dizajna. Kao takvi, ovdje dobiveni rezultati osmišljeni su kako bi pružili dodatne smjernice i podršku procesu dizajna i nisu zamjena za detaljnu analizu i opravdanje na kraju procesa dizajna. Ovaj strateški plan postavlja temelje za daljnja kategorička istraživanja za dokazane rezultate. Na primjer, još se malo zna o mehaničkom ponašanju kompozitnih ploča pod različitim uvjetima opterećenja i potpore.
Nakon završetka dizajna i inženjeringa, model je spreman za digitalnu proizvodnju. Proces proizvodnje podijeljen je u četiri podfaze (slika 4). Prvo, glavna struktura je aditivno proizvedena pomoću velikog robotskog postrojenja za 3D ispis. Površina se zatim gloda pomoću istog robotskog sustava kako bi se poboljšala kvaliteta površine potrebna za dobro lijepljenje. Nakon mljevenja, ljepilo se nanosi duž strukture jezgre pomoću posebno dizajniranog sustava za doziranje montiranog na isti robotski sustav koji se koristi za proces tiskanja i mljevenja. Na kraju, staklo se ugrađuje i postavlja prije UV stvrdnjavanja lijepljenog spoja.
Za aditivnu proizvodnju, definirana topologija temeljne strukture mora se prevesti u jezik CNC stroja (GCode). Za ujednačene i visokokvalitetne rezultate, cilj je ispisati svaki sloj bez otpadanja mlaznice ekstrudera. Time se sprječava neželjeni nadpritisak na početku i na kraju pokreta. Stoga je skripta za kontinuirano generiranje putanje napisana za uzorak stanice koji se koristi. Ovo će stvoriti parametarsku kontinuiranu poliliniju s istim početnim i krajnjim točkama, koja se prilagođava odabranoj veličini ploče, broju i veličini saća prema dizajnu. Osim toga, parametri kao što su širina linije i visina linije mogu se odrediti prije polaganja linija kako bi se postigla željena visina glavne strukture. Sljedeći korak u skripti je pisanje naredbi G-koda.
To se postiže bilježenjem koordinata svake točke na liniji s dodatnim informacijama o stroju kao što su druge relevantne osi za pozicioniranje i kontrolu volumena ekstruzije. Rezultirajući G-kod se zatim može prenijeti na proizvodne strojeve. U ovom primjeru, Comau NJ165 industrijska robotska ruka na linearnoj tračnici koristi se za upravljanje CEAD E25 ekstruderom prema G-kodu (Slika 5). Prvi prototip koristio je postindustrijski PETG s udjelom staklenih vlakana od 20%. Što se tiče mehaničkih ispitivanja, ciljna veličina je bliska veličini građevinske industrije, tako da su dimenzije glavnog elementa 1983 × 876 mm sa 6 × 4 ćelije saća. 6 mm i 2 mm visine.
Preliminarni testovi su pokazali da postoji razlika u čvrstoći ljepila između ljepila i smole za 3D ispis ovisno o svojstvima površine. Da bi se to postiglo, uzorci za ispitivanje aditivne proizvodnje lijepe se ili laminiraju na staklo i podvrgavaju napetosti ili smicanju. Tijekom preliminarne mehaničke obrade površine polimera mljevenjem čvrstoća se značajno povećala (slika 6). Osim toga, poboljšava ravnost jezgre i sprječava nedostatke uzrokovane pretjeranim istiskivanjem. LOCTITE® AA 3345™ [19] akrilat koji se stvrdnjava na UV zračenju koji se ovdje koristi osjetljiv je na uvjete obrade.
To često rezultira većom standardnom devijacijom za uzorke za ispitivanje veze. Nakon aditivne izrade, struktura jezgre je brušena na profilnoj glodalici. G-kod potreban za ovu operaciju automatski se generira iz već kreiranih putanja alata za proces 3D ispisa. Struktura jezgre mora biti ispisana malo više od predviđene visine jezgre. U ovom primjeru, struktura jezgre debljine 18 mm smanjena je na 14 mm.
Ovaj dio proizvodnog procesa veliki je izazov za potpunu automatizaciju. Upotreba ljepila postavlja visoke zahtjeve točnosti i preciznosti strojeva. Pneumatski sustav doziranja koristi se za nanošenje ljepila duž strukture jezgre. Vodi ga robot po površini glodanja u skladu s definiranom putanjom alata. Ispostavilo se da je zamjena tradicionalnog vrha za doziranje četkom posebno povoljna. To omogućuje jednoliku zapreminsku raspodjelu ljepila niske viskoznosti. Ova količina određena je tlakom u sustavu i brzinom robota. Za veću preciznost i visoku kvalitetu lijepljenja, poželjne su niske brzine kretanja od 200 do 800 mm/min.
Akrilat prosječne viskoznosti od 1500 mPa*s nanesen je na stijenku polimerne jezgre širine 6 mm pomoću četke za doziranje unutarnjeg promjera 0,84 mm i širine četke 5 pri primijenjenom tlaku od 0,3 do 0,6 mbara. mm. Ljepilo se zatim rasporedi po površini podloge i zbog površinske napetosti stvara sloj debljine 1 mm. Točno određivanje debljine ljepila još se ne može automatizirati. Trajanje procesa važan je kriterij za odabir ljepila. Struktura jezgre proizvedena ovdje ima duljinu trake od 26 m i stoga vrijeme nanošenja od 30 do 60 minuta.
Nakon nanošenja ljepila, ugradite dvostruki prozor na mjesto. Zbog male debljine materijala, tanko staklo je već jako deformirano vlastitom težinom i stoga ga je potrebno postaviti što je moguće ravnomjernije. Za to se koriste pneumatske staklene vakuumske čašice s vremenski dispergiranim vakuumskim čašicama. Postavlja se na komponentu pomoću dizalice, au budućnosti bi se mogao postaviti izravno pomoću robota. Staklena ploča postavljena je paralelno s površinom jezgre na ljepljivi sloj. Zbog manje težine dodatna staklena ploča (debljine 4 do 6 mm) povećava pritisak na njega.
Rezultat bi trebao biti potpuno vlaženje staklene površine duž strukture jezgre, kao što se može procijeniti iz početnog vizualnog pregleda vidljivih razlika u boji. Proces nanošenja također može imati značajan utjecaj na kvalitetu konačnog spoja. Nakon lijepljenja, staklene ploče se ne smiju pomicati jer će to rezultirati vidljivim ostacima ljepila na staklu i nedostacima u stvarnom sloju ljepila. Na kraju se ljepilo stvrdnjava UV zračenjem na valnoj duljini od 365 nm. Da bi se to postiglo, UV svjetiljka s gustoćom snage od 6 mW/cm2 postupno se prelazi preko cijele površine ljepila tijekom 60 s.
Koncept laganih i prilagodljivih tankih staklenih kompozitnih panela s aditivno proizvedenom polimernom jezgrom o kojem se ovdje raspravlja namijenjen je za upotrebu u budućim fasadama. Stoga kompozitne ploče moraju biti u skladu s primjenjivim standardima i zahtjevima za granična stanja uporabe (SLS), granična stanja krajnje čvrstoće (ULS) i sigurnosne zahtjeve. Stoga kompozitne ploče moraju biti sigurne, jake i dovoljno čvrste da izdrže opterećenja (kao što su površinska opterećenja) bez loma ili prekomjerne deformacije. Kako bi se istražio mehanički odgovor prethodno izrađenih tankih staklenih kompozitnih ploča (kao što je opisano u odjeljku o mehaničkim ispitivanjima), podvrgnute su ispitivanjima opterećenja vjetrom kako je opisano u sljedećem pododjeljku.
Svrha fizikalnih ispitivanja je proučavanje mehaničkih svojstava kompozitnih panela vanjskih zidova pri opterećenju vjetrom. U tu svrhu, kompozitne ploče koje se sastoje od vanjske ploče od punog kaljenog stakla debljine 3 mm i aditivno izrađene jezgre debljine 14 mm (od PIPG-GF20) proizvedene su kako je gore opisano upotrebom ljepila Henkel Loctite AA 3345 (Slika 7 lijevo). )). . Kompozitne ploče se zatim pričvršćuju na drveni potporni okvir metalnim vijcima koji se zabijaju kroz drveni okvir i u bočne strane glavne strukture. 30 vijaka postavljeno je oko perimetra panela (pogledajte crnu liniju lijevo na slici 7) kako bi se što je moguće bliže reproducirali linearni uvjeti potpore oko perimetra.
Ispitni okvir je zatim zabrtvljen na vanjsku ispitnu stijenku primjenom pritiska vjetra ili usisavanja vjetra iza kompozitne ploče (Slika 7, gore desno). Za bilježenje podataka koristi se digitalni korelacijski sustav (DIC). Da biste to učinili, vanjsko staklo kompozitne ploče prekriveno je tankom elastičnom folijom s otisnutim bisernim uzorkom šuma (slika 7, dolje desno). DIC koristi dvije kamere za snimanje relativne pozicije svih mjernih točaka na cijeloj površini stakla. Dvije slike u sekundi su snimljene i korištene za procjenu. Tlak u komori, okruženoj kompozitnim pločama, povećava se pomoću ventilatora u koracima od 1000 Pa do maksimalne vrijednosti od 4000 Pa, tako da se svaka razina opterećenja održava 10 sekundi.
Fizička postavka eksperimenta također je predstavljena numeričkim modelom istih geometrijskih dimenzija. Za to se koristi numerički program Ansys Mechanical. Struktura jezgre bila je geometrijska mreža s šesterokutnim elementima SOLID 185 sa stranicama od 20 mm za staklo i tetraedarskim elementima SOLID 187 sa stranicama od 3 mm. Radi pojednostavljenja modeliranja, u ovoj fazi studije, ovdje se pretpostavlja da je upotrijebljeni akrilat idealno krut i tanak, te je definiran kao kruta veza između stakla i materijala jezgre.
Kompozitne ploče su fiksirane u ravnoj liniji izvan jezgre, a staklena ploča je podvrgnuta površinskom pritisku od 4000 Pa. Iako su geometrijske nelinearnosti uzete u obzir u modeliranju, u ovoj fazi korišteni su samo linearni modeli materijala. studija. Iako je ovo valjana pretpostavka za linearno elastični odziv stakla (E = 70 000 MPa), prema podatkovnom listu proizvođača (viskoelastičnog) polimernog materijala jezgre [17], linearna krutost E = 8245 MPa korištena je u trenutnu analizu treba rigorozno razmotriti i proučavat će se u budućim istraživanjima.
Ovdje prikazani rezultati procijenjeni su uglavnom za deformacije pri maksimalnom opterećenju vjetrom do 4000 Pa (=ˆ4kN/m2). Za to su slike snimljene DIC metodom uspoređene s rezultatima numeričke simulacije (FEM) (slika 8, dolje desno). Dok je idealna ukupna deformacija od 0 mm s "idealnim" linearnim osloncima u području ruba (tj. opseg panela) izračunata u FEM-u, fizički pomak rubnog područja mora se uzeti u obzir kada se procjenjuje DIC. To je zbog tolerancija ugradnje i deformacije ispitnog okvira i njegovih brtvi. Za usporedbu, prosječni pomak u području ruba (isprekidana bijela linija na slici 8) oduzet je od maksimalnog pomaka u središtu ploče. Pomaci određeni pomoću DIC i FEA uspoređeni su u tablici 1. i grafički prikazani u gornjem lijevom kutu slike 8.
Četiri primijenjene razine opterećenja eksperimentalnog modela korištene su kao kontrolne točke za procjenu i evaluirane u FEM. Maksimalni središnji pomak kompozitne ploče u neopterećenom stanju određen je DIC mjerenjima pri razini opterećenja od 4000 Pa na 2,18 mm. Dok FEA pomaci pri manjim opterećenjima (do 2000 Pa) još uvijek mogu točno reproducirati eksperimentalne vrijednosti, nelinearno povećanje deformacije pri većim opterećenjima ne može se točno izračunati.
Međutim, studije su pokazale da kompozitne ploče mogu izdržati ekstremna opterećenja vjetrom. Posebno se ističe velika krutost laganih panela. Korištenjem analitičkih proračuna temeljenih na linearnoj teoriji Kirchhoffovih ploča [20], deformacija od 2,18 mm pri 4000 Pa odgovara deformaciji jedne staklene ploče debljine 12 mm pod istim rubnim uvjetima. Kao rezultat toga, debljina stakla (koja je energetski intenzivna u proizvodnji) u ovoj kompozitnoj ploči može se smanjiti na 2 x 3 mm stakla, što rezultira uštedom materijala od 50%. Smanjenje ukupne težine panela daje dodatne prednosti u smislu montaže. Dok kompozitnu ploču od 30 kg lako mogu nositi dvije osobe, tradicionalna staklena ploča od 50 kg zahtijeva tehničku podršku za sigurno kretanje. Kako bi se točno predstavilo mehaničko ponašanje, u budućim će studijama biti potrebni detaljniji numerički modeli. Analiza konačnih elemenata može se dodatno poboljšati s opsežnijim modelima nelinearnih materijala za polimere i modeliranjem ljepljive veze.
Razvoj i poboljšanje digitalnih procesa igraju ključnu ulogu u poboljšanju ekonomskih i ekoloških učinaka u građevinskoj industriji. Osim toga, korištenje tankog stakla u fasadama obećava uštedu energije i resursa te otvara nove mogućnosti za arhitekturu. Međutim, zbog male debljine stakla potrebna su nova dizajnerska rješenja za adekvatno ojačanje stakla. Stoga studija predstavljena u ovom članku istražuje koncept kompozitnih panela izrađenih od tankog stakla i spojenih ojačanih 3D tiskanih polimernih središnjih struktura. Cijeli proizvodni proces od dizajna do proizvodnje je digitaliziran i automatiziran. Uz pomoć Grasshoppera razvijen je tijek rada od datoteke do tvornice kako bi se omogućila upotreba tankih staklenih kompozitnih ploča u budućim fasadama.
Proizvodnja prvog prototipa pokazala je izvedivost i izazove robotske proizvodnje. Dok su aditivna i subtraktivna proizvodnja već dobro integrirane, potpuno automatizirana primjena i sklapanje ljepila posebno predstavljaju dodatne izazove kojima se treba pozabaviti u budućim istraživanjima. Preliminarnim mehaničkim ispitivanjem i povezanim modeliranjem istraživanja konačnih elemenata, pokazalo se da lagane i tanke ploče od stakloplastike pružaju dovoljnu krutost na savijanje za namjeravanu fasadnu primjenu, čak i pod uvjetima ekstremnog opterećenja vjetrom. Istraživanje autora koje je u tijeku dodatno će istražiti potencijal digitalno proizvedenih kompozitnih panela od tankog stakla za fasadne primjene i pokazati njihovu učinkovitost.
Autori se zahvaljuju svim suradnicima koji su sudjelovali u ovom istraživačkom radu. Zahvaljujući programu financiranja EFRE SAB financiranom iz fondova Europske unije u obliku bespovratnih sredstava br., osigurati financijska sredstva za kupnju manipulatora s ekstruderom i uređajem za mljevenje. 100537005. Osim toga, AiF-ZIM je dobio priznanje za financiranje istraživačkog projekta Glasfur3D (grant number ZF4123725WZ9) u suradnji s Glaswerkstätten Glas Ahne, koji je pružio značajnu potporu ovom istraživačkom radu. Naposljetku, Laboratorij Friedrich Siemens i njegovi suradnici, posebno Felix Hegewald i studentski asistent Jonathan Holzerr, zahvaljuju na tehničkoj podršci i provedbi izrade i fizičkog testiranja koji su bili osnova za ovaj rad.
Vrijeme objave: 4. kolovoza 2023