Upotreba tankog stakla obećava ispunjavanje različitih zadataka u građevinskoj industriji. Pored ekoloških prednosti efikasnijeg korišćenja resursa, arhitekte mogu koristiti tanko staklo kako bi postigli nove stepene slobode dizajna. Zasnovano na teoriji sendviča, fleksibilno tanko staklo može se kombinirati s 3D štampanim polimernim jezgrom otvorenih ćelija kako bi se formiralo vrlo kruto i lagano
kompozitni elementi. Ovaj članak predstavlja istraživački pokušaj digitalne proizvodnje fasadnih panela od tankih staklenih kompozita pomoću industrijskih robota. Objašnjava koncept digitalizacije tokova rada od fabrike do fabrike, uključujući kompjuterski potpomognuto projektovanje (CAD), inženjering (CAE) i proizvodnju (CAM). Studija pokazuje proces parametarskog dizajna koji omogućava besprijekornu integraciju alata za digitalnu analizu.
Osim toga, ovaj proces pokazuje potencijal i izazove digitalne proizvodnje tankih staklenih kompozitnih panela. Ovdje su objašnjeni neki od proizvodnih koraka koje izvodi ruka industrijskog robota, kao što su aditivna proizvodnja velikog formata, površinska obrada, lijepljenje i procesi montaže. Konačno, po prvi put je postignuto duboko razumijevanje mehaničkih svojstava kompozitnih panela kroz eksperimentalne i numeričke studije i evaluaciju mehaničkih svojstava kompozitnih panela pod površinskim opterećenjem. Cjelokupni koncept digitalnog dizajna i procesa izrade, kao i rezultati eksperimentalnih studija, daju osnovu za dalju integraciju metoda definisanja oblika i analize, kao i za sprovođenje opsežnih mehaničkih studija u budućim studijama.
Metode digitalne proizvodnje omogućavaju nam da poboljšamo proizvodnju transformacijom tradicionalnih metoda i pružanjem novih mogućnosti dizajna [1]. Tradicionalne metode gradnje imaju tendenciju da prekomjerno koriste materijale u smislu cijene, osnovne geometrije i sigurnosti. Premještanjem izgradnje u tvornice, korištenjem modularne prefabrikacije i robotike za implementaciju novih metoda dizajna, materijali se mogu efikasno koristiti bez ugrožavanja sigurnosti. Digitalna proizvodnja nam omogućava da proširimo našu dizajnersku maštu kako bismo stvorili raznovrsnije, efikasnije i ambicioznije geometrijske oblike. Dok su procesi projektovanja i proračuna uglavnom digitalizovani, proizvodnja i montaža se još uvek uglavnom obavljaju ručno na tradicionalne načine. Kako bi se nosili sa sve složenijim strukturama slobodnog oblika, procesi digitalne proizvodnje postaju sve važniji. Želja za slobodom i fleksibilnošću dizajna, posebno kada su u pitanju fasade, stalno raste. Osim vizualnog efekta, fasade slobodnog oblika također vam omogućavaju stvaranje efikasnijih struktura, na primjer, korištenjem membranskih efekata [2]. Osim toga, veliki potencijal digitalnih proizvodnih procesa leži u njihovoj efikasnosti i mogućnosti optimizacije dizajna.
Ovaj članak istražuje kako se digitalna tehnologija može koristiti za dizajn i proizvodnju inovativnog kompozitnog fasadnog panela koji se sastoji od aditivno proizvedenog polimernog jezgra i spojenih tankih staklenih vanjskih panela. Pored novih arhitektonskih mogućnosti povezanih sa upotrebom tankog stakla, ekološki i ekonomski kriterijumi su takođe bili važni motivi za korišćenje manje materijala za izgradnju omotača zgrade. Uz klimatske promjene, nedostatak resursa i rastuće cijene energije u budućnosti, staklo se mora pametnije koristiti. Upotreba tankog stakla manje od 2 mm debljine iz elektronske industrije čini fasadu laganom i smanjuje upotrebu sirovina.
Zbog visoke fleksibilnosti tankog stakla, otvara nove mogućnosti za arhitektonske primjene i istovremeno postavlja nove inženjerske izazove [3,4,5,6]. Dok je trenutna implementacija fasadnih projekata sa tankim staklom ograničena, tanko staklo se sve više koristi u građevinarstvu i arhitektonskim studijama. Zbog visoke sposobnosti tankog stakla na elastičnu deformaciju, njegova primjena u fasadama zahtijeva ojačana konstruktivna rješenja [7]. Osim iskorištavanja membranskog efekta zbog zakrivljene geometrije [8], moment inercije može se povećati i višeslojnom strukturom koja se sastoji od polimernog jezgra i zalijepljenog tankog staklenog vanjskog lima. Ovaj pristup se pokazao obećavajućim zbog upotrebe tvrdog prozirnog polikarbonatnog jezgra, koje je manje gusto od stakla. Osim pozitivnog mehaničkog djelovanja, ispunjeni su i dodatni sigurnosni kriteriji [9].
Pristup u sljedećoj studiji zasnovan je na istom konceptu, ali koristeći aditivno izrađeno prozirno jezgro otvorenih pora. To jamči veći stupanj geometrijske slobode i mogućnosti dizajna, kao i integraciju fizičkih funkcija zgrade [10]. Takvi kompozitni paneli su se pokazali posebno efikasnim u mehaničkim ispitivanjima [11] i obećavaju smanjenje količine stakla do 80%. Ovo ne samo da će smanjiti potrebna sredstva, već će i značajno smanjiti težinu panela, čime će se povećati efikasnost podkonstrukcije. Ali novi oblici izgradnje zahtijevaju nove oblike proizvodnje. Efikasne strukture zahtijevaju efikasne proizvodne procese. Digitalni dizajn doprinosi digitalnoj proizvodnji. Ovaj članak nastavlja autorova prethodna istraživanja predstavljanjem studije digitalnog procesa proizvodnje tankih staklenih kompozitnih panela za industrijske robote. Fokus je na digitalizaciji toka rada od fajla do fabrike prvih prototipova velikog formata kako bi se povećala automatizacija proizvodnog procesa.
Kompozitni panel (slika 1) sastoji se od dva tanka staklena prekrivača omotana oko AM polimernog jezgra. Dva dijela su povezana ljepilom. Svrha ovog dizajna je da se što efikasnije rasporedi opterećenje na čitavu sekciju. Momenti savijanja stvaraju normalna naprezanja u ljusci. Bočne sile uzrokuju posmična naprezanja u jezgri i adhezivnim spojevima.
Vanjski sloj sendvič strukture je od tankog stakla. U principu će se koristiti natrijum-kalc silikatno staklo. Sa ciljnom debljinom < 2 mm, proces termičkog kaljenja dostiže trenutnu tehnološku granicu. Hemijski ojačano aluminosilikatno staklo može se smatrati posebno prikladnim ako je potrebna veća čvrstoća zbog dizajna (npr. hladno presavijene ploče) ili upotrebe [12]. Funkcije prijenosa svjetlosti i zaštite okoliša će biti dopunjene dobrim mehaničkim svojstvima kao što su dobra otpornost na ogrebotine i relativno visok Youngov modul u usporedbi s drugim materijalima koji se koriste u kompozitima. Zbog ograničene veličine dostupne za hemijski kaljeno tanko staklo, ploče od potpuno kaljenog natrijum-kalc stakla debljine 3 mm korišćene su za stvaranje prvog velikog prototipa.
Noseća konstrukcija se smatra oblikovanim dijelom kompozitne ploče. To utiče na skoro sve atribute. Zahvaljujući metodi aditivne proizvodnje, on je i centar digitalnog proizvodnog procesa. Termoplastika se obrađuje fuzijom. To omogućava korištenje velikog broja različitih polimera za specifične primjene. Topologija glavnih elemenata može biti dizajnirana 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 ispitani su neki od glavnih projekata na prikladnost njihovog dizajna [11]. Sa mehaničke tačke gledišta, troperiodna minimalna površina jezgra žiroskopa je posebno efikasna. To osigurava visoku mehaničku otpornost na savijanje uz relativno nisku potrošnju materijala. Pored ćelijskih osnovnih struktura koje se reprodukuju u površinskim regionima, topologija se takođe može generisati drugim tehnikama pronalaženja oblika. Generiranje linija naprezanja jedan je od mogućih načina za optimizaciju krutosti uz najmanju moguću težinu [13]. Međutim, struktura saća, koja se široko koristi u sendvič konstrukcijama, korišćena je kao polazna tačka za razvoj proizvodne linije. Ova osnovna forma dovodi do brzog napretka u proizvodnji, posebno kroz jednostavno programiranje putanje alata. Njegovo ponašanje u kompozitnim panelima je opširno proučavano [14, 15, 16], a izgled se može mijenjati na mnogo načina kroz parametrizaciju i također se može koristiti za početne koncepte optimizacije.
Postoji mnogo termoplastičnih polimera koje treba uzeti u obzir pri odabiru polimera, ovisno o korištenom procesu ekstruzije. Početne preliminarne studije malih materijala smanjile su broj polimera koji se smatra prikladnim za upotrebu u fasadama [11]. Polikarbonat (PC) obećava zbog svoje otpornosti na toplotu, UV otpornosti i visoke čvrstoće. Zbog dodatnih tehničkih i financijskih ulaganja potrebnih za preradu polikarbonata, etilen glikol modificirani polietilen tereftalat (PETG) korišten je za proizvodnju prvih prototipova. Posebno se lako obrađuje na relativno niskim temperaturama uz mali rizik od termičkog naprezanja i deformacije komponenti. Prototip prikazan ovdje je napravljen od recikliranog PETG-a koji se zove PIPG. Materijal je prethodno sušen na 60°C najmanje 4 h i prerađen u granule sa udjelom staklenih vlakana od 20% [17].
Ljepilo pruža snažnu vezu između strukture polimerne jezgre i tankog staklenog poklopca. Kada su kompozitne ploče podvrgnute opterećenju savijanjem, ljepljivi spojevi su izloženi smičnom naprezanju. Stoga se preferira tvrđe ljepilo koje može smanjiti deformaciju. Prozirna ljepila također pomažu u pružanju visokog vizualnog kvaliteta kada se lijepe na prozirno staklo. Drugi važan faktor pri odabiru ljepila je proizvodnost i integracija u automatizirane proizvodne procese. Ovdje UV ljepila s fleksibilnim vremenom očvršćavanja mogu uvelike pojednostaviti pozicioniranje pokrivnih slojeva. Na temelju preliminarnih ispitivanja ispitana je pogodnost serije ljepila za tanke staklene kompozitne ploče [18]. Loctite® AA 3345™ UV očvrsli akrilat [19] pokazao se posebno pogodnim za sljedeći proces.
Kako bi se iskoristile mogućnosti aditivne proizvodnje i fleksibilnost tankog stakla, cijeli proces je dizajniran da radi digitalno i parametarski. Grasshopper se koristi kao vizuelni programski interfejs, izbegavajući interfejse između različitih programa. Sve discipline (inženjering, inženjering i proizvodnja) će podržavati i dopunjavati jedna drugu u jednom fajlu sa direktnim povratnim informacijama od operatera. U ovoj fazi studije, tok rada je još uvijek u razvoju i slijedi obrazac prikazan na slici 2. Različiti ciljevi mogu se grupisati u kategorije unutar disciplina.
Iako je proizvodnja sendvič panela u ovom radu automatizirana s korisničkim dizajnom i pripremom proizvodnje, integracija i validacija pojedinačnih inženjerskih alata nije u potpunosti realizovana. Na osnovu parametarskog projektovanja geometrije fasade moguće je projektovati spoljni omotač objekta na makro nivou (fasada) i mezo (fasadni paneli). U drugom koraku, inženjerska povratna sprega ima za cilj procijeniti sigurnost i prikladnost, kao i održivost izrade zidova zavjesa. Konačno, dobijeni paneli su spremni za digitalnu proizvodnju. Program obrađuje razvijenu strukturu jezgra u mašinski čitljivom G-kodu i priprema je za aditivnu proizvodnju, subtraktivnu naknadnu obradu i lepljenje stakla.
Proces dizajna se razmatra na dva različita nivoa. Pored činjenice da makro oblik fasade utiče na geometriju svakog kompozitnog panela, topologija same jezgre može se projektovati i na mezo nivou. Kada se koristi parametarski model fasade, na oblik i izgled mogu uticati primjeri fasadnih presjeka pomoću klizača prikazanih na slici 3. Dakle, ukupna površina se sastoji od korisnički definirane skalabilne površine koja se može deformirati pomoću točkastih atraktora i modificirati pomoću određujući minimalni i maksimalni stepen deformacije. Ovo obezbeđuje visok stepen fleksibilnosti u dizajnu omotača zgrade. Međutim, ovaj stepen slobode je ograničen tehničkim i proizvodnim ograničenjima, koja se zatim poigravaju algoritmima u inženjerskom dijelu.
Pored visine i širine cijele fasade određuje se i podjela fasadnih panela. Što se tiče pojedinačnih fasadnih panela, oni se mogu preciznije definisati na mezo nivou. Ovo utiče na topologiju same strukture jezgra, kao i na debljinu stakla. Ove dvije varijable, kao i veličina panela, imaju važnu vezu sa modeliranjem mašinstva. Dizajn i razvoj cjelokupnog makro i mezo nivoa može se provesti u smislu optimizacije u četiri kategorije strukture, funkcije, estetike i dizajna proizvoda. Korisnici mogu razviti cjelokupni izgled i osjećaj omotača zgrade tako što će dati prioritet ovim područjima.
Projekt je podržan od strane inženjerskog dijela koristeći povratnu spregu. U tu svrhu, ciljevi i granični uslovi su definisani u kategoriji optimizacije prikazanoj na slici 2. Oni obezbeđuju koridore koji su tehnički izvodljivi, fizički zdravi i sigurni za izgradnju sa inženjerske tačke gledišta, što ima značajan uticaj na dizajn. Ovo je polazna tačka za različite alate koji se mogu integrisati direktno u Grasshopper. U daljnjim istraživanjima, mehanička svojstva mogu se procijeniti pomoću analize konačnih elemenata (FEM) ili čak analitičkih proračuna.
Osim toga, studije solarnog zračenja, analiza linije vidljivosti i modeliranje trajanja sunčeve svjetlosti mogu procijeniti uticaj kompozitnih panela na fiziku zgrade. Važno je ne ograničavati preterano brzinu, efikasnost i fleksibilnost procesa projektovanja. Kao takvi, rezultati dobijeni ovdje su dizajnirani da pruže dodatne smjernice i podršku procesu dizajna i nisu zamjena za detaljnu analizu i opravdanje na kraju procesa dizajna. Ovaj strateški plan postavlja temelj za dalja kategorička istraživanja za dokazane rezultate. Na primjer, još se malo zna o mehaničkom ponašanju kompozitnih panela pod različitim opterećenjima i uvjetima potpore.
Kada se dizajn i inženjering završe, model je spreman za digitalnu proizvodnju. Proizvodni proces je podijeljen u četiri podfaze (slika 4). Prvo, glavna struktura je aditivno proizvedena pomoću velike robotske 3D štampe. Površina se zatim gloda pomoću istog robotskog sistema kako bi se poboljšao kvalitet površine potreban za dobro vezivanje. Nakon mljevenja, ljepilo se nanosi duž strukture jezgre pomoću posebno dizajniranog sistema za doziranje montiranog na istom robotskom sistemu koji se koristi za proces tiska i mljevenja. Na kraju se staklo ugrađuje i polaže prije UV očvršćavanja spoja.
Za aditivnu proizvodnju, definisana topologija osnovne strukture mora biti prevedena u CNC mašinski jezik (GCode). Za ujednačene i visokokvalitetne rezultate, cilj je štampanje svakog sloja bez otpadanja mlaznice ekstrudera. Ovo sprječava neželjeni nadpritisak na početku i na kraju pokreta. Stoga je skripta za generiranje kontinuirane trajektorije napisana za uzorak ćelije koji se koristi. Ovo će stvoriti parametarsku kontinuiranu poliliniju sa istim početnim i krajnjim tačkama, koja se prilagođava odabranoj veličini panela, broju i veličini saća prema projektu. Osim toga, parametri kao što su širina linije i visina linije mogu se specificirati prije polaganja linija kako bi se postigla željena visina glavne strukture. Sljedeći korak u skripti je pisanje naredbi G-koda.
Ovo se radi snimanjem koordinata svake tačke na liniji sa dodatnim informacijama o mašini kao što su druge relevantne ose za pozicioniranje i kontrolu zapremine ekstruzije. Rezultirajući G-kod se zatim može prenijeti na proizvodne mašine. U ovom primjeru, ruka industrijskog robota Comau NJ165 na linearnoj šini koristi se za upravljanje ekstruderom CEAD E25 prema G-kodu (slika 5). Prvi prototip koristio je postindustrijski PETG sa sadržajem staklenih vlakana od 20%. U smislu mehaničkih ispitivanja, ciljna veličina je bliska veličini građevinske industrije, tako da su dimenzije glavnog elementa 1983 × 876 mm sa 6 × 4 ćelija u obliku saća. 6 mm i 2 mm visine.
Preliminarna ispitivanja su pokazala da postoji razlika u čvrstoći ljepila između ljepila i smole za 3D štampu ovisno o svojstvima površine. Da bi se to postiglo, uzorci za ispitivanje aditivne proizvodnje se lijepe ili laminiraju na staklo i podvrgavaju napetosti ili smicanju. Prilikom preliminarne mehaničke obrade površine polimera glodanjem došlo je do značajnog povećanja čvrstoće (sl. 6). Osim toga, poboljšava ravnost jezgre i sprječava defekte uzrokovane prekomjernim istiskivanjem. LOCTITE® AA 3345™ [19] akrilat koji se ovdje koristi je osjetljiv na uslove obrade.
Ovo često rezultira većom standardnom devijacijom za uzorke testa vezivanja. Nakon aditivne proizvodnje, struktura jezgre je glodana na profilnoj glodalici. G-kod potreban za ovu operaciju se automatski generiše iz putanja alata već kreiranih za proces 3D štampanja. Strukturu jezgra treba odštampati nešto više od predviđene visine jezgra. U ovom primjeru jezgra debljine 18 mm smanjena je na 14 mm.
Ovaj dio proizvodnog procesa predstavlja veliki izazov za potpunu automatizaciju. Upotreba ljepila postavlja visoke zahtjeve za tačnost i preciznost mašina. Pneumatski sistem za doziranje se koristi za nanošenje ljepila duž strukture jezgre. Robot ga vodi duž površine glodanja u skladu sa definisanom putanjom alata. Ispostavilo se da je zamjena tradicionalnog vrha za doziranje četkom posebno korisna. Ovo omogućava da se lepkovi niskog viskoziteta ravnomerno raspoređuju po zapremini. Ovaj iznos je određen pritiskom u sistemu 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 nanijet je na zid polimernog jezgra širine 6 mm pomoću četke za doziranje unutrašnjeg prečnika 0,84 mm i širine četke 5 pri primenjenom pritisku od 0,3 do 0,6 mbar. mm. Ljepilo se zatim razmazuje po površini podloge i zbog površinske napetosti formira sloj debljine 1 mm. Tačno određivanje debljine ljepila još se ne može automatizirati. Trajanje procesa je važan kriterij za odabir ljepila. Ovdje proizvedena jezgra ima dužinu staze od 26 m i stoga vrijeme primjene od 30 do 60 minuta.
Nakon nanošenja ljepila, postavite prozor sa dvostrukim staklom na mjesto. Zbog male debljine materijala, tanko staklo je već snažno deformirano od vlastite težine i stoga se mora postaviti što je moguće ravnomjernije. Za to se koriste pneumatske staklene gumene čašice sa vremenski dispergovanim vakuumskim čašama. Postavlja se na komponentu pomoću dizalice, a u budućnosti se može postavljati direktno pomoću robota. Staklena ploča je postavljena paralelno s površinom jezgre na sloju ljepila. Zbog manje težine, dodatna staklena ploča (debljine 4 do 6 mm) povećava pritisak na nju.
Rezultat bi trebalo biti potpuno vlaženje staklene površine duž strukture jezgre, što se može suditi iz početnog vizualnog pregleda vidljivih razlika u boji. Proces nanošenja također može imati značajan utjecaj na kvalitetu završnog spoja. Jednom zalijepljene, staklene ploče se ne smiju pomicati jer će to rezultirati vidljivim ostacima ljepila na staklu i defektima u stvarnom sloju ljepila. Na kraju, ljepilo se stvrdnjava UV zračenjem na talasnoj dužini od 365 nm. Da bi se to učinilo, UV lampa gustoće snage 6 mW/cm2 postepeno se provlači preko cijele površine ljepila u trajanju od 60 s.
Koncept laganih i prilagodljivih tankih staklenih kompozitnih panela sa aditivno proizvedenim polimernim jezgrom o kojem se ovdje govori je namijenjen za upotrebu u budućim fasadama. Dakle, kompozitni paneli moraju biti u skladu sa važećim standardima i ispunjavati zahtjeve za granična stanja rada (SLS), granična stanja krajnje čvrstoće (ULS) i sigurnosne zahtjeve. Stoga kompozitni paneli moraju biti sigurni, čvrsti i dovoljno čvrsti da izdrže opterećenja (kao što su površinska opterećenja) bez lomljenja ili pretjerane deformacije. Da bi se istražio mehanički odgovor prethodno proizvedenih tankih staklenih kompozitnih panela (kao što je opisano u odjeljku Mehanička ispitivanja), oni su podvrgnuti testovima opterećenja vjetrom kao što je opisano u sljedećem pododjeljku.
Svrha fizičkog ispitivanja je proučavanje mehaničkih svojstava kompozitnih panela vanjskih zidova pod opterećenjem vjetrom. U tu svrhu, izrađeni su kompozitni paneli koji se sastoje od 3 mm debelog potpuno kaljenog staklenog vanjskog lima i 14 mm debljine aditivno proizvedenog jezgra (iz PIPG-GF20) kako je gore opisano korištenjem Henkel Loctite AA 3345 ljepila (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 konstrukcije. 30 šrafova postavljeno je oko perimetra panela (pogledajte crnu liniju lijevo na slici 7) kako bi se što bliže reproducirali uvjeti linearne potpore oko perimetra.
Okvir za ispitivanje je zatim zapečaćen za vanjski ispitni zid primjenom pritiska vjetra ili usisavanja vjetra iza kompozitne ploče (Slika 7, gore desno). Za snimanje podataka koristi se digitalni korelacijski sistem (DIC). Da bi se to postiglo, vanjsko staklo kompozitnog panela je prekriveno tankim elastičnim limom na kojem je otisnut biserni šum (slika 7, dolje desno). DIC koristi dvije kamere za snimanje relativnog položaja svih mjernih tačaka na cijeloj staklenoj površini. Dvije slike u sekundi su snimljene i korištene za evaluaciju. Pritisak u komori, okruženoj kompozitnim panelima, povećava se pomoću ventilatora u koracima od 1000 Pa do maksimalne vrednosti od 4000 Pa, tako da se svaki nivo opterećenja održava 10 sekundi.
Fizička postavka eksperimenta također je predstavljena numeričkim modelom istih geometrijskih dimenzija. Za to se koristi numerički program Ansys Mechanical. Struktura jezgra je bila geometrijska mreža koristeći SOLID 185 heksagonalne elemente sa stranicama od 20 mm za staklo i SOLID 187 tetraedarske elemente sa stranicama od 3 mm. Da bi se pojednostavilo modeliranje, u ovoj fazi istraživanja, ovdje se pretpostavlja da je korišteni akrilat idealno krut i tanak, i definiran je kao kruta veza između stakla i materijala jezgre.
Kompozitni paneli su fiksirani pravolinijski izvan jezgre, a staklena ploča je izložena površinskom pritisku od 4000 Pa. Iako su geometrijske nelinearnosti uzete u obzir u modeliranju, u ovoj fazi korišćeni su samo linearni modeli materijala. studija. Iako je ovo valjana pretpostavka za linearni elastični odziv stakla (E = 70.000 MPa), prema podacima proizvođača (viskoelastičnog) polimernog jezgrenog materijala [17], linearna krutost E = 8245 MPa korištena je u trenutnu analizu treba rigorozno razmotriti i proučavaće se u budućim istraživanjima.
Ovdje prikazani rezultati procjenjuju se uglavnom za deformacije pri maksimalnim opterećenjima vjetrom do 4000 Pa (=ˆ4kN/m2). Za to su slike snimljene DIC metodom upoređene sa rezultatima numeričke simulacije (FEM) (slika 8, dole desno). Dok se idealna ukupna deformacija od 0 mm sa “idealnim” linearnim osloncima u ivičnoj regiji (tj. perimetar panela) izračunava u FEM-u, fizičko pomicanje rubnog područja mora se uzeti u obzir prilikom procjene DIC-a. 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 sredini panela. Pomaci utvrđeni pomoću DIC-a i FEA upoređuju se u tabeli 1 i grafički su prikazani u gornjem lijevom uglu slike 8.
Četiri primijenjena nivoa opterećenja eksperimentalnog modela korištena su kao kontrolne točke za evaluaciju i evaluirane u FEM. Maksimalni središnji pomak kompozitne ploče u neopterećenom stanju određen je DIC mjerenjima na razini opterećenja od 4000 Pa na 2,18 mm. Dok FEA pomaci pri manjim opterećenjima (do 2000 Pa) još uvijek mogu precizno reproducirati eksperimentalne vrijednosti, nelinearno povećanje deformacije pri većim opterećenjima ne može se precizno izračunati.
Međutim, studije su pokazale da kompozitni paneli mogu izdržati ekstremna opterećenja vjetrom. Posebno se ističe visoka krutost laganih panela. Koristeći analitičke proračune zasnovane na linearnoj teoriji Kirchhoffovih ploča [20], deformacija od 2,18 mm na 4000 Pa odgovara deformaciji jedne staklene ploče debljine 12 mm pod istim rubnim uvjetima. Kao rezultat, debljina stakla (koje je energetski intenzivno u proizvodnji) u ovom kompozitnom panelu može se smanjiti na 2 x 3 mm stakla, što rezultira uštedom materijala od 50%. Smanjenje ukupne težine panela pruža dodatne prednosti u smislu montaže. Dok kompozitnom pločom od 30 kg lako mogu rukovati dvije osobe, tradicionalnom staklenom pločom od 50 kg potrebna je tehnička podrška za sigurno kretanje. Da bi se precizno predstavilo mehaničko ponašanje, u budućim studijama će biti potrebni detaljniji numerički modeli. Analiza konačnih elemenata može se dodatno poboljšati opsežnijim modelima nelinearnih materijala za polimere i modeliranje adhezivne veze.
Razvoj i unapređenje digitalnih procesa igraju ključnu ulogu u poboljšanju ekonomskih i ekoloških performansi u građevinskoj industriji. Osim toga, upotreba tankog stakla u fasadama obećava uštedu energije i resursa i 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 vezanih ojačanih 3D štampanih polimernih jezgrenih struktura. Cijeli proces proizvodnje od dizajna do proizvodnje je digitaliziran i automatiziran. Uz pomoć Grasshoppera, razvijen je radni tok od datoteke do tvornice kako bi se omogućilo korištenje tankih staklenih kompozitnih panela u budućim fasadama.
Proizvodnja prvog prototipa pokazala je izvodljivost i izazove robotske proizvodnje. Dok su aditivna i subtraktivna proizvodnja već dobro integrirani, potpuno automatizirana primjena i montaža ljepila posebno predstavljaju dodatne izazove kojima se treba baviti u budućim istraživanjima. Preliminarnim mehaničkim ispitivanjem i pratećim modeliranjem istraživanja konačnih elemenata, pokazalo se da lagani i tanki paneli od stakloplastike pružaju dovoljnu krutost na savijanje za njihovu predviđenu fasadnu primjenu, čak i pod ekstremnim uvjetima opterećenja vjetrom. Tekuća istraživanja autora će dalje istražiti potencijal digitalno proizvedenih tankih staklenih kompozitnih panela za fasadne aplikacije i pokazati njihovu efikasnost.
Autori se žele zahvaliti svim pobornicima koji su bili uključeni u ovaj istraživački rad. Zahvaljujući programu finansiranja EFRE SAB koji se finansira iz fondova Evropske unije u vidu granta br. za obezbeđivanje finansijskih sredstava za kupovinu manipulatora sa ekstruderom i uređajem za mlevenje. 100537005. Osim toga, AiF-ZIM je dobio priznanje za finansiranje istraživačkog projekta Glasfur3D (broj granta ZF4123725WZ9) u saradnji sa Glaswerkstätten Glas Ahne, koji je pružio značajnu podršku ovom istraživačkom radu. Konačno, Friedrich Siemens Laboratory i njeni saradnici, posebno Felix Hegewald i studentski asistent Jonathan Holzerr, priznaju tehničku podršku i implementaciju proizvodnje i fizičkog testiranja koji su bili osnova za ovaj rad.
Vrijeme objave: 04.08.2023