Die gebruik van dun glas beloof om verskeie take in die konstruksiebedryf te vervul. Benewens die omgewingsvoordele van meer doeltreffende gebruik van hulpbronne, kan argitekte dun glas gebruik om nuwe grade van ontwerpvryheid te bereik. Gebaseer op die toebroodjie-teorie, kan buigsame dun glas gekombineer word met 'n 3D-gedrukte oopsel-polimeerkern om baie styf en liggewig te vorm
saamgestelde elemente. Hierdie artikel bied 'n verkennende poging tot digitale vervaardiging van dun glas-saamgestelde fasadepanele met behulp van industriële robotte. Dit verduidelik die konsep van die digitalisering van fabriek-tot-fabriek-werkvloeie, insluitend rekenaargesteunde ontwerp (CAD), ingenieurswese (CAE) en vervaardiging (CAM). Die studie demonstreer 'n parametriese ontwerpproses wat naatlose integrasie van digitale analise-instrumente moontlik maak.
Daarbenewens demonstreer hierdie proses die potensiaal en uitdagings van die digitale vervaardiging van dun glas saamgestelde panele. Sommige van die vervaardigingstappe wat deur 'n industriële robotarm uitgevoer word, soos grootformaat toevoegingsvervaardiging, oppervlakbewerking, gom- en monteerprosesse, word hier verduidelik. Laastens, vir die eerste keer, is 'n diepgaande begrip van die meganiese eienskappe van saamgestelde panele verkry deur eksperimentele en numeriese studies en evaluering van die meganiese eienskappe van saamgestelde panele onder oppervlaklading. Die algehele konsep van digitale ontwerp en vervaardigingswerkvloei, sowel as die resultate van eksperimentele studies, verskaf 'n basis vir verdere integrasie van vormdefinisie- en analisemetodes, asook vir die uitvoer van uitgebreide meganistiese studies in toekomstige studies.
Digitale vervaardigingsmetodes stel ons in staat om produksie te verbeter deur tradisionele metodes te transformeer en nuwe ontwerpmoontlikhede te verskaf [1]. Tradisionele boumetodes is geneig om materiaal te oorgebruik in terme van koste, basiese geometrie en veiligheid. Deur konstruksie na fabrieke te verskuif, modulêre voorafvervaardiging en robotika te gebruik om nuwe ontwerpmetodes te implementeer, kan materiale doeltreffend gebruik word sonder om veiligheid in te boet. Digitale vervaardiging stel ons in staat om ons ontwerpverbeelding uit te brei om meer diverse, doeltreffende en ambisieuse geometriese vorms te skep. Terwyl die ontwerp- en berekeningsprosesse grootliks gedigitaliseer is, word vervaardiging en montering steeds grootliks met die hand op tradisionele maniere gedoen. Om toenemend komplekse vryevormstrukture die hoof te bied, word digitale vervaardigingsprosesse al hoe belangriker. Die begeerte na vryheid en ontwerp-buigsaamheid, veral wanneer dit by fasades kom, groei geleidelik. Benewens die visuele effek, laat vryvormfasades jou ook toe om meer doeltreffende strukture te skep, byvoorbeeld deur die gebruik van membraaneffekte [2]. Boonop lê die groot potensiaal van digitale vervaardigingsprosesse in hul doeltreffendheid en die moontlikheid van ontwerpoptimalisering.
Hierdie artikel ondersoek hoe digitale tegnologie gebruik kan word om 'n innoverende saamgestelde fasadepaneel te ontwerp en te vervaardig wat bestaan uit 'n additief vervaardigde polimeerkern en gebind dun glas buitepanele. Benewens die nuwe argitektoniese moontlikhede wat met die gebruik van dun glas geassosieer word, was omgewings- en ekonomiese kriteria ook belangrike motiverings vir die gebruik van minder materiaal om die gebouomhulsel te bou. Met klimaatsverandering, hulpbronskaarste en stygende energiepryse in die toekoms, moet glas slimmer gebruik word. Die gebruik van dun glas minder as 2 mm dik van die elektroniese industrie maak die fasade lig en verminder die gebruik van grondstowwe.
As gevolg van die hoë buigsaamheid van dun glas, maak dit nuwe moontlikhede vir argitektoniese toepassings oop en stel dit terselfdertyd nuwe ingenieursuitdagings [3,4,5,6]. Terwyl die huidige implementering van fasadeprojekte wat dun glas gebruik beperk is, word dun glas toenemend gebruik in siviele ingenieurswese en argitektoniese studies. As gevolg van die hoë vermoë van dun glas tot elastiese vervorming, vereis die gebruik daarvan in fasades versterkte strukturele oplossings [7]. Benewens die ontginning van die membraan-effek as gevolg van die geboë geometrie [8], kan die traagheidsmoment ook verhoog word deur 'n meerlaagstruktuur wat bestaan uit 'n polimeerkern en 'n vasgeplakte dun glasbuiteblad. Hierdie benadering het belofte getoon as gevolg van die gebruik van 'n harde deursigtige polikarbonaatkern, wat minder dig is as glas. Benewens die positiewe meganiese aksie, is bykomende veiligheidskriteria nagekom [9].
Die benadering in die volgende studie is gebaseer op dieselfde konsep, maar met behulp van 'n additief vervaardigde oop-porie deurskynende kern. Dit waarborg 'n hoër mate van geometriese vryheid en ontwerpmoontlikhede, sowel as die integrasie van die fisiese funksies van die gebou [10]. Sulke saamgestelde panele het besonder doeltreffend bewys in meganiese toetsing [11] en beloof om die hoeveelheid glas wat gebruik word met tot 80% te verminder. Dit sal nie net die nodige hulpbronne verminder nie, maar ook die gewig van die panele aansienlik verminder en sodoende die doeltreffendheid van die onderbou verhoog. Maar nuwe vorme van konstruksie vereis nuwe vorme van produksie. Doeltreffende strukture vereis doeltreffende vervaardigingsprosesse. Digitale ontwerp dra by tot digitale vervaardiging. Hierdie artikel gaan voort met die skrywer se vorige navorsing deur 'n studie van die digitale vervaardigingsproses van dun glas saamgestelde panele vir industriële robotte aan te bied. Die fokus is op die digitalisering van die lêer-tot-fabriek-werkvloei van die eerste grootformaat-prototipes om die outomatisering van die vervaardigingsproses te verhoog.
Die saamgestelde paneel (Figuur 1) bestaan uit twee dun glasbedekkings wat om 'n AM-polimeerkern toegedraai is. Die twee dele word met gom verbind. Die doel van hierdie ontwerp is om die las so doeltreffend moontlik oor die hele gedeelte te versprei. Buigmomente skep normale spanning in die dop. Sykragte veroorsaak skuifspannings in die kern en kleefverbindings.
Die buitenste laag van die toebroodjiestruktuur is van dun glas gemaak. In beginsel sal soda-kalk-silikaatglas gebruik word. Met 'n teikendikte < 2 mm, bereik die termiese tempereringsproses die huidige tegnologiese limiet. Chemies versterkte aluminiumsilikaatglas kan as besonder geskik beskou word as hoër sterkte vereis word as gevolg van ontwerp (bv. koudgevoude panele) of gebruik [12]. Die ligoordrag- en omgewingsbeskermingsfunksies sal aangevul word deur goeie meganiese eienskappe soos goeie krasweerstand en 'n relatief hoë Young se modulus in vergelyking met ander materiale wat in komposiete gebruik word. As gevolg van die beperkte grootte beskikbaar vir chemies geharde dun glas, is panele van ten volle getemperde 3 mm dik soda-kalkglas gebruik om die eerste grootskaalse prototipe te skep.
Die ondersteunende struktuur word beskou as 'n gevormde deel van die saamgestelde paneel. Byna alle eienskappe word daardeur geraak. Danksy die additiewe vervaardigingsmetode is dit ook die middelpunt van die digitale vervaardigingsproses. Termoplastiek word deur samesmelting verwerk. Dit maak dit moontlik om 'n groot aantal verskillende polimere vir spesifieke toepassings te gebruik. Die topologie van die hoofelemente kan met verskillende klem ontwerp word na gelang van hul funksie. Vir hierdie doel kan vormontwerp in die volgende vier ontwerpkategorieë verdeel word: struktuurontwerp, funksionele ontwerp, estetiese ontwerp en produksieontwerp. Elke kategorie kan verskillende doeleindes hê, wat tot verskillende topologieë kan lei.
Tydens die voorlopige studie is van die hoofontwerpe getoets vir die geskiktheid van hul ontwerp [11]. Uit 'n meganiese oogpunt is die drie-periode minimum kernoppervlak van die gyroskoop besonder effektief. Dit bied hoë meganiese weerstand teen buiging teen 'n relatief lae materiaalverbruik. Benewens die sellulêre basiese strukture wat in die oppervlakstreke gereproduseer word, kan die topologie ook deur ander vormvindtegnieke gegenereer word. Streslyngenerering is een van die moontlike maniere om styfheid teen die laagste moontlike gewig te optimaliseer [13]. Die heuningkoekstruktuur, wat wyd in toebroodjiekonstruksies gebruik word, is egter as 'n beginpunt vir die ontwikkeling van die produksielyn gebruik. Hierdie basiese vorm lei tot vinnige vordering in produksie, veral deur maklike toolpath-programmering. Die gedrag daarvan in saamgestelde panele is omvattend bestudeer [14, 15, 16] en die voorkoms kan op baie maniere verander word deur parameterisering en kan ook gebruik word vir aanvanklike optimeringskonsepte.
Daar is baie termoplastiese polimere om in ag te neem wanneer 'n polimeer gekies word, afhangende van die ekstrusieproses wat gebruik word. Aanvanklike voorlopige studies van kleinskaalse materiale het die aantal polimere wat as geskik beskou word vir gebruik in fasades verminder [11]. Polikarbonaat (PC) is belowend vanweë sy hittebestandheid, UV-weerstand en hoë styfheid. As gevolg van die bykomende tegniese en finansiële belegging wat nodig is om polikarbonaat te verwerk, is etileenglikol gemodifiseerde poliëtileentereftalaat (PETG) gebruik om die eerste prototipes te vervaardig. Dit is besonder maklik om te verwerk by relatief lae temperature met 'n lae risiko van termiese spanning en komponent vervorming. Die prototipe wat hier gewys word, is gemaak van herwonne PETG genaamd PIPG. Die materiaal is voorlopig by 60°C vir minstens 4 uur gedroog en verwerk tot korrels met 'n glasveselinhoud van 20% [17].
Die gom verskaf 'n sterk binding tussen die polimeerkernstruktuur en die dun glasdeksel. Wanneer saamgestelde panele aan buigbelastings onderwerp word, word die kleefverbindings aan skuifspanning onderwerp. Daarom word 'n harder gom verkies en kan dit defleksie verminder. Duidelike kleefmiddels help ook om hoë visuele kwaliteit te bied wanneer dit aan helder glas gebind word. Nog 'n belangrike faktor by die keuse van 'n gom is vervaardigbaarheid en integrasie in outomatiese produksieprosesse. Hier kan UV-hardende kleefmiddels met buigsame uithardingstye die posisionering van die deklae aansienlik vereenvoudig. Gebaseer op voorlopige toetse, is 'n reeks kleefmiddels getoets vir hul geskiktheid vir dun glas saamgestelde panele [18]. Loctite® AA 3345™ UV-geneesbare akrilaat [19] was besonder geskik vir die volgende proses.
Om voordeel te trek uit die moontlikhede van bykomende vervaardiging en die buigsaamheid van dun glas, is die hele proses ontwerp om digitaal en parametries te werk. Grasshopper word gebruik as 'n visuele programmeringskoppelvlak, wat koppelvlakke tussen verskillende programme vermy. Alle dissiplines (ingenieurswese, ingenieurswese en vervaardiging) sal mekaar in een lêer ondersteun en aanvul met direkte terugvoer van die operateur. Op hierdie stadium van die studie is die werkvloei nog onder ontwikkeling en volg die patroon wat in Figuur 2 getoon word. Die verskillende doelwitte kan in kategorieë binne dissiplines gegroepeer word.
Alhoewel die vervaardiging van toebroodjiepanele in hierdie vraestel geoutomatiseer is met gebruikersgesentreerde ontwerp en vervaardigingsvoorbereiding, is die integrasie en validering van individuele ingenieursinstrumente nie ten volle gerealiseer nie. Gebaseer op die parametriese ontwerp van die fasadegeometrie, is dit moontlik om die buitenste dop van die gebou op die makrovlak (fasade) en meso (fasadepanele) te ontwerp. In die tweede stap is die ingenieursterugvoerlus daarop gemik om die veiligheid en geskiktheid sowel as die lewensvatbaarheid van gordynmuurvervaardiging te evalueer. Uiteindelik is die gevolglike panele gereed vir digitale produksie. Die program verwerk die ontwikkelde kernstruktuur in masjienleesbare G-kode en berei dit voor vir bykomende vervaardiging, subtraktiewe naverwerking en glasbinding.
Die ontwerpproses word op twee verskillende vlakke beskou. Benewens die feit dat die makrovorm van die fasades die geometrie van elke saamgestelde paneel beïnvloed, kan die topologie van die kern self ook op die meso-vlak ontwerp word. Wanneer 'n parametriese fasademodel gebruik word, kan die vorm en voorkoms beïnvloed word deur die voorbeeld fasadegedeeltes deur gebruik te maak van die skuifbalke wat in Figuur 3 getoon word. Die totale oppervlak bestaan dus uit 'n gebruikergedefinieerde skaalbare oppervlak wat met behulp van puntaantrekkers vervorm kan word en gemodifiseer kan word deur wat 'n minimum en maksimum mate van vervorming spesifiseer. Dit bied 'n hoë mate van buigsaamheid in die ontwerp van geboukoeverte. Hierdie mate van vryheid word egter beperk deur tegniese en vervaardigingsbeperkings, wat dan deur die algoritmes in die ingenieursdeel gespeel word.
Benewens die hoogte en breedte van die hele fasade, word die verdeling van die fasadepanele bepaal. Wat individuele fasadepanele betref, kan hulle meer presies op die meso-vlak gedefinieer word. Dit beïnvloed die topologie van die kernstruktuur self, sowel as die dikte van die glas. Hierdie twee veranderlikes, sowel as die grootte van die paneel, het 'n belangrike verband met meganiese ingenieursmodellering. Die ontwerp en ontwikkeling van die hele makro- en mesovlak kan in terme van optimalisering in die vier kategorieë van struktuur, funksie, estetika en produkontwerp uitgevoer word. Gebruikers kan die algehele voorkoms en gevoel van die gebouomhulsel ontwikkel deur hierdie areas te prioritiseer.
Die projek word ondersteun deur die ingenieursdeel deur 'n terugvoerlus te gebruik. Vir hierdie doel word doelwitte en grenstoestande gedefinieer in die optimaliseringskategorie wat in Fig. 2 getoon word. Dit verskaf korridors wat tegnies haalbaar, fisies gesond en veilig is om te bou vanuit 'n ingenieursoogpunt, wat 'n beduidende impak op ontwerp het. Dit is die beginpunt vir verskeie gereedskap wat direk in Grasshopper geïntegreer kan word. In verdere ondersoeke kan meganiese eienskappe geëvalueer word deur gebruik te maak van Eindige Element Analise (FEM) of selfs analitiese berekeninge.
Daarbenewens kan sonstralingstudies, siglynanalise en sonskynduurmodellering die impak van saamgestelde panele op geboufisika evalueer. Dit is belangrik om nie die spoed, doeltreffendheid en buigsaamheid van die ontwerpproses te beperk nie. As sodanig is die resultate wat hier verkry is ontwerp om bykomende leiding en ondersteuning aan die ontwerpproses te verskaf en is dit nie 'n plaasvervanger vir gedetailleerde ontleding en regverdiging aan die einde van die ontwerpproses nie. Hierdie strategiese plan lê die grondslag vir verdere kategoriese navorsing vir bewese resultate. Daar is byvoorbeeld nog min bekend oor die meganiese gedrag van saamgestelde panele onder verskeie las- en ondersteuningstoestande.
Sodra die ontwerp en ingenieurswese voltooi is, is die model gereed vir digitale produksie. Die vervaardigingsproses word in vier substadia verdeel (Fig. 4). Eerstens is die hoofstruktuur additief vervaardig met behulp van 'n grootskaalse robotiese 3D-drukfasiliteit. Die oppervlak word dan gemaal met dieselfde robotstelsel om die oppervlakkwaliteit wat nodig is vir goeie binding te verbeter. Na maal word die gom langs die kernstruktuur aangebring met behulp van 'n spesiaal ontwerpte doseerstelsel wat op dieselfde robotstelsel gemonteer is wat vir die druk- en maalproses gebruik word. Uiteindelik word die glas geïnstalleer en gelê voor UV-uitharding van die gebonde voeg.
Vir additiewe vervaardiging moet die gedefinieerde topologie van die onderliggende struktuur in CNC-masjientaal (GCode) vertaal word. Vir eenvormige en hoë kwaliteit resultate is die doel om elke laag te druk sonder dat die ekstruderspuitstuk afval. Dit voorkom ongewenste oordruk aan die begin en einde van die beweging. Daarom is 'n deurlopende trajekgenereringskrip geskryf vir die selpatroon wat gebruik word. Dit sal 'n parametriese deurlopende polilyn met dieselfde begin- en eindpunte skep, wat aanpas by die geselekteerde paneelgrootte, aantal en grootte van heuningkoeke soos per ontwerp. Daarbenewens kan parameters soos lynwydte en lynhoogte gespesifiseer word voordat lyne gelê word om die verlangde hoogte van die hoofstruktuur te bereik. Die volgende stap in die skrif is om die G-kode opdragte te skryf.
Dit word gedoen deur die koördinate van elke punt op die lyn aan te teken met bykomende masjieninligting soos ander relevante asse vir posisionering en ekstrusievolumebeheer. Die resulterende G-kode kan dan na produksiemasjiene oorgedra word. In hierdie voorbeeld word 'n Comau NJ165 industriële robotarm op 'n lineêre spoor gebruik om 'n CEAD E25-ekstruder volgens die G-kode te beheer (Figuur 5). Die eerste prototipe het post-industriële PETG gebruik met 'n glasveselinhoud van 20%. Wat meganiese toetsing betref, is die teikengrootte naby aan die grootte van die konstruksiebedryf, dus is die afmetings van die hoofelement 1983 × 876 mm met 6 × 4 heuningkoekselle. 6 mm en 2 mm hoog.
Voorlopige toetse het getoon dat daar 'n verskil in kleefsterkte tussen kleefmiddel en 3D-drukhars is, afhangende van die oppervlak-eienskappe daarvan. Om dit te doen, word additiewe vervaardigingstoetsmonsters op glas vasgegom of gelamineer en aan spanning of skuif onderwerp. Tydens voorlopige meganiese verwerking van die polimeeroppervlak deur maal, het die sterkte aansienlik toegeneem (Fig. 6). Daarbenewens verbeter dit die platheid van die kern en voorkom defekte wat veroorsaak word deur oorekstrusie. Die UV-geneesbare LOCTITE® AA 3345™ [19] akrilaat wat hier gebruik word, is sensitief vir verwerkingstoestande.
Dit lei dikwels tot 'n hoër standaardafwyking vir die bindingstoetsmonsters. Na additiewe vervaardiging is die kernstruktuur op 'n profielfreesmasjien gemaal. Die G-kode wat vir hierdie operasie benodig word, word outomaties gegenereer vanaf gereedskappaaie wat reeds vir die 3D-drukproses geskep is. Die kernstruktuur moet effens hoër as die beoogde kernhoogte gedruk word. In hierdie voorbeeld is die 18 mm dik kernstruktuur tot 14 mm verminder.
Hierdie deel van die vervaardigingsproses is 'n groot uitdaging vir volle outomatisering. Die gebruik van kleefmiddels stel hoë eise aan die akkuraatheid en akkuraatheid van masjiene. Die pneumatiese doseerstelsel word gebruik om die gom langs die kernstruktuur aan te wend. Dit word deur die robot langs die freesoppervlak gelei in ooreenstemming met die gedefinieerde werktuigpad. Dit blyk dat die vervanging van die tradisionele resepteerpunt met 'n kwas veral voordelig is. Dit laat lae viskositeit kleefmiddels toe om eenvormig per volume versprei te word. Hierdie hoeveelheid word bepaal deur die druk in die stelsel en die spoed van die robot. Vir groter akkuraatheid en hoë bindingskwaliteit word lae reisspoed van 200 tot 800 mm/min verkies.
Akrilaat met 'n gemiddelde viskositeit van 1500 mPa*s is op die wand van die polimeerkern 6 mm wyd toegedien met 'n doseerborsel met 'n binnedeursnee van 0.84 mm en 'n kwaswydte van 5 by 'n toegepaste druk van 0.3 tot 0.6 mbar. mm. Die gom word dan oor die oppervlak van die substraat versprei en vorm 'n 1 mm dik laag as gevolg van oppervlakspanning. Die presiese bepaling van die kleefmiddeldikte kan nog nie geoutomatiseer word nie. Die duur van die proses is 'n belangrike maatstaf vir die keuse van 'n gom. Die kernstruktuur wat hier vervaardig word, het 'n baanlengte van 26 m en dus 'n toedieningstyd van 30 tot 60 minute.
Nadat die gom toegedien is, installeer die dubbelglasvenster in plek. As gevolg van die lae dikte van die materiaal is dun glas reeds sterk vervorm deur sy eie gewig en moet dus so eweredig moontlik geposisioneer word. Hiervoor word pneumatiese glassuigkoppies met tydverspreide suigkoppies gebruik. Dit word met 'n hyskraan op die komponent geplaas en kan in die toekoms direk met robotte geplaas word. Die glasplaat is parallel aan die oppervlak van die kern op die kleeflaag geplaas. Weens die ligter gewig verhoog ’n bykomende glasplaat (4 tot 6 mm dik) die druk daarop.
Die resultaat moet volledige benatting van die glasoppervlak langs die kernstruktuur wees, soos beoordeel kan word uit 'n aanvanklike visuele inspeksie van sigbare kleurverskille. Die aanwendingsproses kan ook 'n beduidende impak op die kwaliteit van die finale gehegte voeg hê. Sodra dit geheg is, moet die glaspanele nie geskuif word nie, aangesien dit sigbare gomreste op die glas en defekte in die werklike gomlaag tot gevolg sal hê. Laastens word die gom met UV-straling by 'n golflengte van 365 nm gehard. Om dit te doen, word 'n UV-lamp met 'n drywingsdigtheid van 6 mW/cm2 geleidelik vir 60 s oor die hele kleefoppervlak beweeg.
Die konsep van liggewig en aanpasbare dun glas saamgestelde panele met additief vervaardigde polimeerkern wat hier bespreek word, is bedoel vir gebruik in toekomstige fasades. Saamgestelde panele moet dus aan toepaslike standaarde voldoen en voldoen aan die vereistes vir diensgrenstoestande (SLS), eindsterktegrenstoestande (ULS) en veiligheidsvereistes. Daarom moet saamgestelde panele veilig, sterk en styf genoeg wees om vragte (soos oppervlakvragte) te weerstaan sonder om te breek of oormatige vervorming. Om die meganiese reaksie van voorheen vervaardigde dun glas saamgestelde panele (soos beskryf in die Meganiese Toets afdeling) te ondersoek, is hulle aan windlastoetse onderwerp soos beskryf in die volgende onderafdeling.
Die doel van fisiese toetsing is om die meganiese eienskappe van saamgestelde panele van buitemure onder windbelasting te bestudeer. Vir hierdie doel is saamgestelde panele wat bestaan uit 'n 3 mm dik vol gehard glas buiteblad en 'n 14 mm dik additief vervaardigde kern (van PIPG-GF20) vervaardig soos hierbo beskryf met behulp van Henkel Loctite AA 3345 gom (Fig. 7 links). )). . Die saamgestelde panele word dan aan die houtstutraam vasgemaak met metaalskroewe wat deur die houtraam en in die kante van die hoofstruktuur gedryf word. 30 skroewe is om die omtrek van die paneel geplaas (sien die swart lyn aan die linkerkant in Fig. 7) om die lineêre ondersteuningstoestande rondom die omtrek so na as moontlik weer te gee.
Die toetsraam is toe aan die buitenste toetsmuur verseël deur winddruk of windsuiging agter die saamgestelde paneel toe te pas (Figuur 7, regs bo). 'n Digitale korrelasiestelsel (DIC) word gebruik om data op te teken. Om dit te doen, is die buitenste glas van die saamgestelde paneel bedek met 'n dun elastiese vel wat daarop gedruk is met 'n pêrellyn geraaspatroon (Fig. 7, regs onder). DIC gebruik twee kameras om die relatiewe posisie van alle meetpunte op die hele glasoppervlak aan te teken. Twee beelde per sekonde is opgeneem en vir evaluering gebruik. Die druk in die kamer, omring deur saamgestelde panele, word verhoog deur middel van 'n waaier in 1000 Pa inkremente tot 'n maksimum waarde van 4000 Pa, sodat elke lasvlak vir 10 sekondes gehandhaaf word.
Die fisiese opstelling van die eksperiment word ook voorgestel deur 'n numeriese model met dieselfde geometriese afmetings. Hiervoor word die numeriese program Ansys Mechanical gebruik. Die kernstruktuur was geometriese gaas met behulp van SOLID 185 seskantige elemente met 20 mm sye vir glas en SOLID 187 tetraëdriese elemente met 3 mm sye. Om modellering te vereenvoudig, word daar in hierdie stadium van die studie hier aanvaar dat die akrilaat wat gebruik word ideaal styf en dun is, en gedefinieer word as 'n rigiede binding tussen die glas en die kernmateriaal.
Die saamgestelde panele is in 'n reguit lyn buite die kern vasgemaak, en die glaspaneel word aan 'n oppervlakdruklas van 4000 Pa onderwerp. Alhoewel meetkundige nie-lineariteite in die modellering in ag geneem is, is slegs lineêre materiaalmodelle in hierdie stadium van die studeer. Alhoewel dit 'n geldige aanname is vir die lineêre elastiese reaksie van glas (E = 70 000 MPa), volgens die datablad van die vervaardiger van die (viskoelastiese) polimeriese kernmateriaal [17], is die lineêre styfheid E = 8245 MPa gebruik in die huidige ontleding moet streng oorweeg word en sal in toekomstige navorsing bestudeer word.
Die resultate wat hier aangebied word, word hoofsaaklik vir vervormings by maksimum windladings tot 4000 Pa (=ˆ4kN/m2) geëvalueer. Hiervoor is die beelde wat deur die DIC-metode aangeteken is, vergelyk met die resultate van numeriese simulasie (FEM) (Fig. 8, regs onder). Terwyl 'n ideale totale vervorming van 0 mm met "ideale" lineêre ondersteunings in die randgebied (dws paneelomtrek) in die FEM bereken word, moet die fisiese verplasing van die randgebied in ag geneem word wanneer die DIC geëvalueer word. Dit is as gevolg van installasie toleransies en vervorming van die toetsraam en sy seëls. Ter vergelyking is die gemiddelde verplasing in die randgebied (gestreepte wit lyn in Fig. 8) afgetrek van die maksimum verplasing in die middel van die paneel. Die verplasings bepaal deur DIC en FEA word vergelyk in Tabel 1 en word grafies in die boonste linkerhoek van Fig. 8 getoon.
Die vier toegepaste lasvlakke van die eksperimentele model is as kontrolepunte vir evaluering gebruik en in die FEM geëvalueer. Die maksimum sentrale verplasing van die saamgestelde plaat in die ongelaaide toestand is bepaal deur DIC metings by 'n lasvlak van 4000 Pa by 2.18 mm. Terwyl FEA-verplasings by laer ladings (tot 2000 Pa) steeds eksperimentele waardes akkuraat kan weergee, kan die nie-lineêre toename in vervorming by hoër ladings nie akkuraat bereken word nie.
Studies het egter getoon dat saamgestelde panele uiterste windladings kan weerstaan. Die hoë styfheid van die liggewigpanele staan veral uit. Deur analitiese berekeninge gebaseer op die lineêre teorie van Kirchhoff-plate [20] te gebruik, stem 'n vervorming van 2.18 mm by 4000 Pa ooreen met die vervorming van 'n enkele glasplaat 12 mm dik onder dieselfde grenstoestande. As gevolg hiervan kan die dikte van die glas (wat energie-intensief is in produksie) in hierdie saamgestelde paneel verminder word tot 2 x 3 mm glas, wat 'n materiaalbesparing van 50% tot gevolg het. Die vermindering van die algehele gewig van die paneel bied bykomende voordele in terme van samestelling. Terwyl 'n saamgestelde paneel van 30 kg maklik deur twee mense hanteer kan word, benodig 'n tradisionele 50 kg glaspaneel tegniese ondersteuning om veilig te beweeg. Om die meganiese gedrag akkuraat voor te stel, sal meer gedetailleerde numeriese modelle in toekomstige studies vereis word. Eindige element-analise kan verder verbeter word met meer uitgebreide nie-lineêre materiaalmodelle vir polimere en kleefbindingsmodellering.
Die ontwikkeling en verbetering van digitale prosesse speel 'n sleutelrol in die verbetering van ekonomiese en omgewingsprestasie in die konstruksiebedryf. Daarbenewens beloof die gebruik van dun glas in fasades energie- en hulpbronbesparings en maak dit nuwe moontlikhede vir argitektuur oop. Weens die klein dikte van die glas is nuwe ontwerpoplossings egter nodig om die glas voldoende te versterk. Daarom ondersoek die studie wat in hierdie artikel aangebied word die konsep van saamgestelde panele gemaak van dun glas en gebonde versterkte 3D-gedrukte polimeerkernstrukture. Die hele produksieproses van ontwerp tot produksie is gedigitaliseer en geoutomatiseer. Met die hulp van Grasshopper is 'n lêer-tot-fabriek werkvloei ontwikkel om die gebruik van dun glas saamgestelde panele in toekomstige fasades moontlik te maak.
Die vervaardiging van die eerste prototipe het die uitvoerbaarheid en uitdagings van robotvervaardiging gedemonstreer. Terwyl additiewe en subtraktiewe vervaardiging reeds goed geïntegreer is, bied ten volle outomatiese gomtoediening en samestelling veral bykomende uitdagings wat in toekomstige navorsing aangespreek moet word. Deur middel van voorlopige meganiese toetsing en gepaardgaande eindige-element-navorsingsmodellering, is dit getoon dat liggewig en dun veselglaspanele voldoende buigstyfheid bied vir hul beoogde fasadetoepassings, selfs onder uiterste windlastoestande. Die skrywers se deurlopende navorsing sal die potensiaal van digitaal vervaardigde dun glas saamgestelde panele vir fasadetoepassings verder ondersoek en hul doeltreffendheid demonstreer.
Die skrywers wil graag alle ondersteuners bedank wat met hierdie navorsingswerk geassosieer word. Danksy die EFRE SAB-befondsingsprogram wat uit fondse van die Europese Unie befonds word in die vorm van toekenning No. om finansiële hulpbronne te verskaf vir die aankoop van 'n manipuleerder met 'n ekstruder en 'n freestoestel. 100537005. Daarbenewens is AiF-ZIM erken vir die befondsing van die Glasfur3D-navorsingsprojek (toekenningnommer ZF4123725WZ9) in samewerking met Glaswerkstätten Glas Ahne, wat aansienlike ondersteuning vir hierdie navorsingswerk gebied het. Laastens erken die Friedrich Siemens-laboratorium en sy medewerkers, veral Felix Hegewald en studente-assistent Jonathan Holzerr, die tegniese ondersteuning en implementering van die vervaardiging en fisiese toetsing wat die basis vir hierdie vraestel gevorm het.
Postyd: Aug-04-2023