Plāna stikla izmantošana sola pildīt dažādus uzdevumus būvniecības nozarē. Papildus ieguvumiem videi, ko sniedz efektīvāka resursu izmantošana, arhitekti var izmantot plānu stiklu, lai sasniegtu jaunas dizaina brīvības pakāpes. Pamatojoties uz sviestmaižu teoriju, elastīgu plānu stiklu var apvienot ar 3D drukātu atvērto šūnu polimēra serdi, lai izveidotu ļoti stingru un vieglu.
saliktie elementi. Šajā rakstā ir sniegts pētniecisks mēģinājums digitāli izgatavot plānus stikla un kompozītmateriālu fasādes paneļus, izmantojot rūpnieciskos robotus. Tajā ir izskaidrots jēdziens digitalizēt darbplūsmas no rūpnīcas uz rūpnīcu, tostarp datorizēto projektēšanu (CAD), inženieriju (CAE) un ražošanu (CAM). Pētījums demonstrē parametrisku projektēšanas procesu, kas nodrošina digitālās analīzes rīku nemanāmu integrāciju.
Turklāt šis process parāda plāno stikla kompozītmateriālu paneļu digitālās ražošanas potenciālu un izaicinājumus. Šeit ir izskaidroti daži ražošanas soļi, ko veic rūpnieciskā robota roka, piemēram, lielformāta piedevu ražošana, virsmas apstrāde, līmēšana un montāžas procesi. Visbeidzot, pirmo reizi ir iegūta dziļa izpratne par kompozītmateriālu paneļu mehāniskajām īpašībām, veicot eksperimentālus un skaitliskus pētījumus un novērtējot kompozītmateriālu paneļu mehāniskās īpašības virsmas slodzes apstākļos. Kopējā digitālās projektēšanas un izgatavošanas darbplūsmas koncepcija, kā arī eksperimentālo pētījumu rezultāti nodrošina pamatu turpmākai formu definēšanas un analīzes metožu integrācijai, kā arī plašu mehānisma pētījumu veikšanai turpmākajos pētījumos.
Digitālās ražošanas metodes ļauj uzlabot ražošanu, pārveidojot tradicionālās metodes un sniedzot jaunas dizaina iespējas [1]. Tradicionālās celtniecības metodes mēdz pārmērīgi izmantot materiālus izmaksu, pamata ģeometrijas un drošības ziņā. Pārceļot būvniecību uz rūpnīcām, izmantojot moduļu rūpniecisko ražošanu un robotiku, lai ieviestu jaunas projektēšanas metodes, materiālus var izmantot efektīvi, neapdraudot drošību. Digitālā ražošana ļauj mums paplašināt mūsu dizaina iztēli, lai radītu daudzveidīgākas, efektīvākas un vērienīgākas ģeometriskas formas. Lai gan projektēšanas un aprēķinu procesi lielākoties ir digitalizēti, ražošana un montāža joprojām lielākoties tiek veikta ar rokām tradicionālos veidos. Lai tiktu galā ar arvien sarežģītākām brīvas formas struktūrām, digitālie ražošanas procesi kļūst arvien svarīgāki. Vēlme pēc brīvības un dizaina elastības, it īpaši attiecībā uz fasādēm, nepārtraukti pieaug. Papildus vizuālajam efektam brīvas formas fasādes ļauj veidot arī efektīvākas konstrukcijas, piemēram, izmantojot membrānas efektus [2]. Turklāt digitālo ražošanas procesu lielais potenciāls slēpjas to efektivitātē un dizaina optimizācijas iespējās.
Šajā rakstā ir pētīts, kā digitālās tehnoloģijas var izmantot, lai izstrādātu un ražotu novatorisku kompozītmateriālu fasādes paneli, kas sastāv no polimēra serdes un savienotiem plāniem ārējiem stikla paneļiem. Papildus jaunajām arhitektoniskajām iespējām, kas saistītas ar plānā stikla izmantošanu, vides un ekonomiskie kritēriji ir arī bijuši svarīgi motīvi, lai ēkas norobežojošo konstrukciju celtniecībā izmantotu mazāk materiālu. Ņemot vērā klimata pārmaiņas, resursu trūkumu un enerģijas cenu pieaugumu nākotnē, stikls ir jāizmanto gudrāk. Plāna stikla, kura biezums ir mazāks par 2 mm, izmantošana no elektronikas nozares padara fasādi vieglu un samazina izejvielu izmantošanu.
Pateicoties plāna stikla augstajai elastībai, tas paver jaunas iespējas arhitektūras pielietojumiem un vienlaikus rada jaunus inženiertehniskus izaicinājumus [3,4,5,6]. Lai gan pašreizējā fasādes projektu īstenošana, izmantojot plānu stiklu, ir ierobežota, plāns stikls arvien vairāk tiek izmantots inženierbūvju un arhitektūras pētījumos. Plāna stikla augstās spējas elastīgi deformēties, tā izmantošanai fasādēs ir nepieciešami pastiprināti konstruktīvie risinājumi [7]. Papildus membrānas efekta izmantošanai izliektās ģeometrijas dēļ [8], inerces momentu var palielināt arī ar daudzslāņu struktūru, kas sastāv no polimēra serdes un līmētas plānas stikla ārējās loksnes. Šī pieeja ir izrādījusies daudzsološa, jo tiek izmantots ciets caurspīdīgs polikarbonāta kodols, kas ir mazāk blīvs nekā stikls. Papildus pozitīvajai mehāniskajai iedarbībai tika izpildīti papildu drošības kritēriji [9].
Turpmākajā pētījumā pieejamā pieeja ir balstīta uz to pašu koncepciju, bet izmantojot aditīvi izgatavotu atvērtu poru caurspīdīgu kodolu. Tas garantē augstāku ģeometriskās brīvības pakāpi un projektēšanas iespējas, kā arī ēkas fizisko funkciju integrāciju [10]. Šādi kompozītmateriālu paneļi ir izrādījušies īpaši efektīvi mehāniskajos testos [11] un sola samazināt izmantotā stikla daudzumu līdz pat 80%. Tas ne tikai samazinās nepieciešamos resursus, bet arī ievērojami samazinās paneļu svaru, tādējādi palielinot apakšbūves efektivitāti. Taču jaunām būvniecības formām ir vajadzīgas jaunas ražošanas formas. Efektīvām struktūrām nepieciešami efektīvi ražošanas procesi. Digitālais dizains veicina digitālo ražošanu. Šis raksts turpina autores iepriekšējo pētījumu, iepazīstinot ar pētījumu par plāno stikla kompozītmateriālu paneļu digitālo ražošanas procesu rūpnieciskajiem robotiem. Galvenā uzmanība tiek pievērsta pirmo lielformāta prototipu darbplūsmas no faila uz rūpnīcu digitalizēšanai, lai palielinātu ražošanas procesa automatizāciju.
Kompozītmateriālu panelis (1. attēls) sastāv no diviem plāniem stikla pārklājumiem, kas aptīti ap AM polimēra serdi. Abas daļas ir savienotas ar līmi. Šīs konstrukcijas mērķis ir pēc iespējas efektīvāk sadalīt slodzi pa visu sekciju. Liekšanas momenti rada normālu spriegumu čaulā. Sānu spēki izraisa bīdes spriegumus serdes un līmes savienojumos.
Sviestmaižu struktūras ārējais slānis ir izgatavots no plāna stikla. Principā tiks izmantots nātrija-kaļķa silikāta stikls. Ja mērķa biezums ir < 2 mm, termiskās rūdīšanas process sasniedz pašreizējo tehnoloģisko robežu. Ķīmiski stiprinātu aluminosilikāta stiklu var uzskatīt par īpaši piemērotu, ja konstrukcijas (piemēram, auksti locīti paneļi) vai izmantošanas dēļ ir nepieciešama lielāka stiprība [12]. Gaismas caurlaidības un vides aizsardzības funkcijas papildinās labas mehāniskās īpašības, piemēram, laba izturība pret skrāpējumiem un salīdzinoši augsts Janga modulis salīdzinājumā ar citiem kompozītmateriālu ražošanā izmantotajiem materiāliem. Tā kā ķīmiski rūdītam plānam stiklam ir pieejams ierobežots izmērs, pirmā liela mēroga prototipa izveidei tika izmantoti paneļi no pilnībā rūdīta 3 mm bieza nātrija kaļķa stikla.
Atbalsta konstrukcija tiek uzskatīta par kompozītmateriāla paneļa formas daļu. Tas ietekmē gandrīz visus atribūtus. Pateicoties piedevu ražošanas metodei, tas ir arī digitālā ražošanas procesa centrs. Termoplastu apstrādā kausējot. Tas ļauj izmantot lielu skaitu dažādu polimēru īpašiem lietojumiem. Galveno elementu topoloģiju var veidot ar dažādu uzsvaru atkarībā no to funkcijas. Šim nolūkam formas dizainu var iedalīt šādās četrās dizaina kategorijās: konstrukcijas dizains, funkcionālais dizains, estētiskais dizains un ražošanas dizains. Katrai kategorijai var būt dažādi mērķi, kas var novest pie dažādām topoloģijām.
Sākotnējā pētījuma laikā tika pārbaudīta dažu galveno dizainu atbilstība to dizainam [11]. No mehāniskā viedokļa žiroskopa trīs periodu minimālā serdes virsma ir īpaši efektīva. Tas nodrošina augstu mehānisko izturību pret liecēm pie salīdzinoši zema materiāla patēriņa. Papildus šūnu pamatstruktūrām, kas tiek reproducētas virsmas reģionos, topoloģiju var ģenerēt arī ar citām formas noteikšanas metodēm. Sprieguma līniju ģenerēšana ir viens no iespējamiem veidiem, kā optimizēt stingrību pie mazākā iespējamā svara [13]. Taču šūnveida struktūra, ko plaši izmanto sviestmaižu konstrukcijās, ir izmantota kā sākumpunkts ražošanas līnijas attīstībai. Šī pamatforma nodrošina strauju ražošanas progresu, jo īpaši, izmantojot vienkāršu instrumentu ceļa programmēšanu. Tā uzvedība kompozītmateriālu paneļos ir plaši pētīta [14, 15, 16], un izskatu var daudzos veidos mainīt, izmantojot parametrizāciju, un to var izmantot arī sākotnējās optimizācijas koncepcijās.
Izvēloties polimēru, ir jāņem vērā daudzi termoplastiskie polimēri atkarībā no izmantotā ekstrūzijas procesa. Sākotnējie neliela mēroga materiālu provizoriskie pētījumi ir samazinājuši to polimēru skaitu, kas tiek uzskatīti par piemērotiem izmantošanai fasādēs [11]. Polikarbonāts (PC) ir daudzsološs, pateicoties tā karstumizturībai, UV izturībai un augstajai stingrībai. Sakarā ar papildu tehniskajiem un finanšu ieguldījumiem, kas nepieciešami polikarbonāta apstrādei, pirmo prototipu izgatavošanai tika izmantots ar etilēnglikolu modificēts polietilēntereftalāts (PETG). Tas ir īpaši viegli apstrādājams salīdzinoši zemā temperatūrā ar zemu termiskās spriedzes un detaļu deformācijas risku. Šeit parādītais prototips ir izgatavots no pārstrādāta PETG, ko sauc par PIPG. Materiāls tika iepriekš žāvēts 60 ° C temperatūrā vismaz 4 stundas un pārstrādāts granulās ar stikla šķiedras saturu 20% [17].
Līme nodrošina spēcīgu saikni starp polimēra serdes struktūru un plāno stikla vāku. Ja kompozītmateriālu paneļi tiek pakļauti lieces slodzei, līmes savienojumi tiek pakļauti bīdes spriegumam. Tāpēc priekšroka dodama cietākai līmei, kas var samazināt novirzi. Caurspīdīgas līmvielas arī palīdz nodrošināt augstu vizuālo kvalitāti, ja tās ir piestiprinātas pie caurspīdīga stikla. Vēl viens svarīgs faktors, izvēloties līmi, ir izgatavojamība un integrācija automatizētos ražošanas procesos. Šeit UV cietēšanas līmes ar elastīgu cietēšanas laiku var ievērojami vienkāršot pārklājuma slāņu novietošanu. Pamatojoties uz iepriekšējiem testiem, tika pārbaudīta virkne līmvielu piemērotības plāniem stikla kompozītmateriālu paneļiem [18]. Loctite® AA 3345™ UV cietinātais akrilāts [19] izrādījās īpaši piemērots sekojošam procesam.
Lai izmantotu piedevu ražošanas iespējas un plānā stikla elastību, viss process tika izstrādāts tā, lai tas darbotos digitāli un parametriski. Grasshopper tiek izmantots kā vizuāls programmēšanas interfeiss, izvairoties no saskarnes starp dažādām programmām. Visas disciplīnas (inženierzinātnes, inženierija un ražošana) atbalstīs un papildinās viena otru vienā failā ar tiešu atgriezenisko saiti no operatora. Šajā pētījuma posmā darbplūsma joprojām tiek izstrādāta, un tā atbilst 2. attēlā parādītajam modelim. Dažādos mērķus var grupēt kategorijās disciplīnu ietvaros.
Lai gan šajā dokumentā sendvičpaneļu ražošana ir automatizēta ar uz lietotāju orientētu dizainu un izgatavošanas sagatavošanu, atsevišķu inženiertehnisko rīku integrācija un validācija nav pilnībā realizēta. Pamatojoties uz fasādes ģeometrijas parametrisko dizainu, iespējams projektēt ēkas ārējo apvalku makro līmenī (fasāde) un mezo (fasādes paneļi). Otrajā posmā inženiertehniskās atgriezeniskās saites cilpas mērķis ir novērtēt aizkaru sienu izgatavošanas drošību un piemērotību, kā arī dzīvotspēju. Visbeidzot, iegūtie paneļi ir gatavi digitālai ražošanai. Programma apstrādā izstrādāto pamatstruktūru mašīnlasāmā G-kodā un sagatavo to aditīvai ražošanai, subtraktīvai pēcapstrādei un stikla līmēšanai.
Projektēšanas process tiek izskatīts divos dažādos līmeņos. Papildus tam, ka fasāžu makro forma ietekmē katra kompozītmateriāla paneļa ģeometriju, pašu serdes topoloģiju var veidot arī mezo līmenī. Izmantojot parametrisko fasādes modeli, formu un izskatu var ietekmēt fasādes posmu piemēri, izmantojot slīdņus, kas parādīti 3. attēlā. Tādējādi kopējo virsmu veido lietotāja definēta mērogojama virsma, kuru var deformēt, izmantojot punktu atraktorus un modificēt norādot minimālo un maksimālo deformācijas pakāpi. Tas nodrošina augstu elastības pakāpi ēku norobežojošo konstrukciju projektēšanā. Tomēr šo brīvības pakāpi ierobežo tehniskie un ražošanas ierobežojumi, kurus pēc tam izspēlē inženierijas daļas algoritmi.
Papildus visas fasādes augstumam un platumam tiek noteikts fasādes paneļu sadalījums. Kas attiecas uz atsevišķiem fasādes paneļiem, tos var precīzāk definēt mezo līmenī. Tas ietekmē pašas kodola struktūras topoloģiju, kā arī stikla biezumu. Šiem diviem mainīgajiem lielumiem, kā arī paneļa izmēram ir svarīga saistība ar mašīnbūves modelēšanu. Visa makro un mezo līmeņa projektēšanu un izstrādi var veikt optimizācijas ziņā četrās struktūras, funkciju, estētikas un produkta dizaina kategorijās. Lietotāji var izveidot ēkas norobežojošo konstrukciju kopējo izskatu un sajūtu, piešķirot prioritāti šīm zonām.
Projektu atbalsta inženiertehniskā daļa, izmantojot atgriezeniskās saites cilpu. Šim nolūkam optimizācijas kategorijā, kas parādīta 2. attēlā, ir definēti mērķi un robežnosacījumi. Tie nodrošina koridorus, kas ir tehniski iespējami, fiziski pamatoti un droši būvējami no inženiertehniskā viedokļa, kas būtiski ietekmē dizainu. Tas ir sākuma punkts dažādiem rīkiem, kurus var integrēt tieši Grasshopper. Turpmākajos pētījumos mehāniskās īpašības var novērtēt, izmantojot galīgo elementu analīzi (FEM) vai pat analītiskos aprēķinus.
Turklāt saules starojuma pētījumi, redzamības līnijas analīze un saules ilguma modelēšana var novērtēt kompozītmateriālu paneļu ietekmi uz ēku fiziku. Ir svarīgi pārāk neierobežot projektēšanas procesa ātrumu, efektivitāti un elastību. Šeit iegūtie rezultāti ir izstrādāti, lai sniegtu papildu norādījumus un atbalstu projektēšanas procesam, un tie neaizstāj detalizētu analīzi un pamatojumu projektēšanas procesa beigās. Šis stratēģiskais plāns liek pamatu turpmākiem kategoriskiem pētījumiem, lai iegūtu pārbaudītus rezultātus. Piemēram, vēl maz ir zināms par kompozītmateriālu paneļu mehānisko uzvedību dažādos slodzes un atbalsta apstākļos.
Kad projektēšana un inženierija ir pabeigta, modelis ir gatavs digitālai ražošanai. Ražošanas process ir sadalīts četros apakšposmos (4. att.). Pirmkārt, galvenā struktūra tika papildus izgatavota, izmantojot liela mēroga robotizētu 3D drukāšanas iekārtu. Pēc tam virsma tiek frēzēta, izmantojot to pašu robotizēto sistēmu, lai uzlabotu virsmas kvalitāti, kas nepieciešama labai saķerei. Pēc frēzēšanas līmi uzklāj gar serdes struktūru, izmantojot speciāli izstrādātu dozēšanas sistēmu, kas uzstādīta uz tās pašas robotizētās sistēmas, ko izmanto drukāšanas un frēzēšanas procesā. Visbeidzot, stikls tiek uzstādīts un ieklāts pirms savienojuma savienojuma UV sacietēšanas.
Aditīvai ražošanai pamatā esošās struktūras definētā topoloģija ir jātulko CNC mašīnu valodā (GCode). Lai iegūtu vienmērīgus un kvalitatīvus rezultātus, mērķis ir izdrukāt katru slāni bez ekstrūdera sprauslas nokrišanas. Tas novērš nevēlamu pārspiedienu kustības sākumā un beigās. Tāpēc izmantotajam šūnu modelim tika uzrakstīts nepārtrauktas trajektorijas ģenerēšanas skripts. Tas izveidos parametrisku nepārtrauktu polilīniju ar vienādiem sākuma un beigu punktiem, kas pielāgojas izvēlētajam paneļa izmēram, šūnveida šūnu skaitam un izmēram atbilstoši dizainam. Turklāt pirms līniju ieklāšanas var norādīt tādus parametrus kā līnijas platums un līnijas augstums, lai sasniegtu vēlamo galvenās konstrukcijas augstumu. Nākamais skripta solis ir rakstīt G-koda komandas.
Tas tiek darīts, ierakstot katra līnijas punkta koordinātas ar papildu mašīnas informāciju, piemēram, citām atbilstošām asis pozicionēšanai un ekstrūzijas skaļuma kontrolei. Pēc tam iegūto G kodu var pārsūtīt uz ražošanas iekārtām. Šajā piemērā Comau NJ165 rūpnieciskā robota roka uz lineāras sliedes tiek izmantota, lai vadītu CEAD E25 ekstrūderi saskaņā ar G kodu (5. attēls). Pirmajā prototipā tika izmantots postindustriālais PETG ar stikla šķiedras saturu 20%. Mehāniskās pārbaudes ziņā mērķa izmērs ir tuvu būvniecības nozares izmēram, tāpēc galvenā elementa izmēri ir 1983 × 876 mm ar 6 × 4 šūnveida šūnām. 6 mm un 2 mm augsts.
Sākotnējie testi ir parādījuši, ka līmes un 3D drukas sveķu līmes stiprība atšķiras atkarībā no to virsmas īpašībām. Lai to izdarītu, piedevu ražošanas testa paraugi tiek pielīmēti vai laminēti uz stikla un pakļauti spriegojumam vai bīdei. Veicot iepriekšēju polimēra virsmas mehānisko apstrādi ar frēzēšanu, stiprība ievērojami palielinājās (6. att.). Turklāt tas uzlabo serdes līdzenumu un novērš defektus, ko izraisa pārmērīga ekstrūzija. Šeit izmantotais UV cietinātais LOCTITE® AA 3345™ [19] akrilāts ir jutīgs pret apstrādes apstākļiem.
Tas bieži vien rada lielāku standarta novirzi saišu testa paraugiem. Pēc piedevu izgatavošanas serdes struktūra tika nofrēzēta uz profila frēzmašīnas. Šai darbībai nepieciešamais G kods tiek automātiski ģenerēts no darba ceļiem, kas jau ir izveidoti 3D drukāšanas procesam. Serdes struktūra ir jādrukā nedaudz augstāk par paredzēto serdes augstumu. Šajā piemērā 18 mm biezā serdes struktūra ir samazināta līdz 14 mm.
Šī ražošanas procesa daļa ir liels izaicinājums pilnīgai automatizācijai. Līmju izmantošana izvirza augstas prasības mašīnu precizitātei un precizitātei. Pneimatisko dozēšanas sistēmu izmanto, lai uzklātu līmi gar serdes struktūru. Robots to vada pa frēzēšanas virsmu atbilstoši noteiktajam instrumenta ceļam. Izrādās, ka tradicionālā dozēšanas uzgaļa nomaiņa pret otu ir īpaši izdevīga. Tas ļauj zemas viskozitātes līmes izdalīt vienmērīgi pēc tilpuma. Šo daudzumu nosaka spiediens sistēmā un robota ātrums. Lai nodrošinātu lielāku precizitāti un augstu līmēšanas kvalitāti, priekšroka tiek dota mazam pārvietošanās ātrumam no 200 līdz 800 mm/min.
Akrilāts ar vidējo viskozitāti 1500 mPa*s tika uzklāts uz 6 mm platas polimēra serdes sienas, izmantojot dozēšanas birsti ar iekšējo diametru 0,84 mm un birstes platumu 5 pie pielietotā spiediena no 0,3 līdz 0,6 mbar. mm. Pēc tam līme tiek uzklāta pa pamatnes virsmu un virsmas spraiguma dēļ veido 1 mm biezu slāni. Precīzu līmes biezuma noteikšanu vēl nevar automatizēt. Procesa ilgums ir svarīgs kritērijs līmes izvēlei. Šeit ražotās galvenās konstrukcijas sliežu ceļa garums ir 26 m, un tāpēc uzklāšanas laiks ir no 30 līdz 60 minūtēm.
Pēc līmes uzklāšanas uzstādiet stikla pakešu logu vietā. Materiāla mazā biezuma dēļ plāns stikls jau ir stipri deformēts no sava svara, tāpēc tas ir jānovieto pēc iespējas vienmērīgāk. Šim nolūkam tiek izmantoti pneimatiskie stikla piesūcekņi ar laika dispersijas piesūcekņiem. Tas tiek novietots uz komponenta, izmantojot celtni, un nākotnē to var novietot tieši, izmantojot robotus. Stikla plāksne tika novietota paralēli serdes virsmai uz līmējošā slāņa. Vieglākā svara dēļ papildu stikla plāksne (4 līdz 6 mm bieza) palielina spiedienu uz to.
Rezultātam ir jābūt pilnīgai stikla virsmas samitrināšanai gar serdes struktūru, kā to var spriest no sākotnējās vizuālās redzamo krāsu atšķirību pārbaudes. Uzklāšanas process var arī būtiski ietekmēt gala savienojuma kvalitāti. Kad stikla paneļi ir salīmēti, tos nedrīkst pārvietot, jo tas radīs redzamus līmes atlikumus uz stikla un faktiskā līmējošā slāņa defektus. Visbeidzot, līmi sacietē ar UV starojumu pie viļņa garuma 365 nm. Lai to izdarītu, UV lampa ar jaudas blīvumu 6 mW/cm2 pakāpeniski tiek izlaista pa visu līmes virsmu 60 s.
Šeit aplūkotā vieglo un pielāgojamu plānu stikla kompozītmateriālu paneļu koncepcija ar polimēru serdi, kas ir papildus izgatavota, ir paredzēta izmantošanai nākotnes fasādēs. Tādējādi kompozītmateriālu paneļiem ir jāatbilst piemērojamiem standartiem un jāatbilst ekspluatācijas robežstāvokļu (SLS), galīgās stiprības robežstāvokļu (ULS) un drošības prasību prasībām. Tāpēc kompozītmateriālu paneļiem jābūt drošiem, izturīgiem un pietiekami stīviem, lai izturētu slodzes (piemēram, virsmas slodzes) bez pārrāvumiem vai pārmērīgas deformācijas. Lai izpētītu iepriekš izgatavotu plānu stikla kompozītmateriālu paneļu mehānisko reakciju (kā aprakstīts sadaļā Mehāniskā pārbaude), tiem tika veikti vēja slodzes testi, kā aprakstīts nākamajā apakšnodaļā.
Fizikālās pārbaudes mērķis ir izpētīt ārsienu kompozītmateriālu paneļu mehāniskās īpašības vēja slodzes apstākļos. Šim nolūkam, izmantojot Henkel Loctite AA 3345 līmi (7. att. pa kreisi), tika izgatavoti kompozītmateriālu paneļi, kas sastāv no 3 mm biezas pilnībā rūdīta stikla ārējās loksnes un 14 mm biezas ar piedevām izgatavotas serdes (no PIPG-GF20), kā aprakstīts iepriekš. )). . Pēc tam kompozītmateriālu paneļi tiek piestiprināti pie koka atbalsta rāmja ar metāla skrūvēm, kas tiek izvilktas caur koka rāmi un galvenās konstrukcijas sānos. Pa paneļa perimetru tika novietotas 30 skrūves (sk. melno līniju pa kreisi 7. attēlā), lai pēc iespējas precīzāk atveidotu lineāros atbalsta apstākļus pa perimetru.
Pēc tam testa rāmis tika noslēgts pie ārējās testa sienas, aiz kompozītmateriāla paneļa piemērojot vēja spiedienu vai vēja sūkšanu (7. attēls, augšējā labajā stūrī). Datu ierakstīšanai tiek izmantota digitālā korelācijas sistēma (DIC). Lai to izdarītu, kompozītmateriāla paneļa ārējais stikls ir pārklāts ar plānu elastīgu loksni, kas uz tā uzdrukāta ar perlamutra trokšņa rakstu (7. att., apakšā pa labi). DIC izmanto divas kameras, lai reģistrētu visu mērījumu punktu relatīvo stāvokli uz visas stikla virsmas. Tika ierakstīti divi attēli sekundē un izmantoti novērtēšanai. Spiediens kamerā, ko ieskauj kompozītmateriālu paneļi, tiek palielināts ar ventilatora palīdzību ar 1000 Pa soli līdz maksimālajai vērtībai 4000 Pa, lai katrs slodzes līmenis tiktu uzturēts 10 sekundes.
Eksperimenta fizisko iestatījumu attēlo arī skaitlisks modelis ar vienādiem ģeometriskajiem izmēriem. Šim nolūkam tiek izmantota ciparu programma Ansys Mechanical. Serdes struktūra bija ģeometriska sieta, izmantojot SOLID 185 sešstūra elementus ar 20 mm malām stiklam un SOLID 187 tetraedriskus elementus ar 3 mm malām. Lai vienkāršotu modelēšanu, šajā pētījuma posmā šeit tiek pieņemts, ka izmantotais akrilāts ir ideāli stingrs un plāns, un tas ir definēts kā stingra saite starp stiklu un serdes materiālu.
Kompozītmateriālu paneļi ir fiksēti taisnā līnijā ārpus serdes, un stikla panelis tiek pakļauts virsmas spiediena slodzei 4000 Pa. Lai gan modelēšanā tika ņemtas vērā ģeometriskās nelinearitātes, šajā posmā tika izmantoti tikai lineāro materiālu modeļi. pētījums. Lai gan šis ir pamatots pieņēmums stikla lineārajai elastīgajai reakcijai (E = 70 000 MPa), saskaņā ar (viskoelastīgā) polimēra serdes materiāla ražotāja datu lapu [17] lineārā stingrība E = 8245 MPa tika izmantota. pašreizējā analīze ir rūpīgi jāapsver, un tā tiks pētīta turpmākajos pētījumos.
Šeit sniegtie rezultāti ir novērtēti galvenokārt deformācijām pie maksimālās vēja slodzes līdz 4000 Pa (=ˆ4kN/m2). Šim nolūkam ar DIC metodi ierakstītie attēli tika salīdzināti ar skaitliskās simulācijas (FEM) rezultātiem (8. att., apakšā pa labi). Lai gan ideālā kopējā deformācija 0 mm ar “ideāliem” lineāriem balstiem malas reģionā (ti, paneļa perimetrā) tiek aprēķināta FEM, novērtējot DIC, jāņem vērā malas apgabala fiziskā nobīde. Tas ir saistīts ar uzstādīšanas pielaidēm un testa rāmja un tā blīvējumu deformāciju. Salīdzinājumam, vidējā nobīde malas apgabalā (balta svītra līnija 8. attēlā) tika atņemta no maksimālās nobīdes paneļa centrā. DIC un FEA noteiktās nobīdes ir salīdzinātas 1. tabulā un grafiski parādītas 8. attēla augšējā kreisajā stūrī.
Četri pielietotie eksperimentālā modeļa slodzes līmeņi tika izmantoti kā kontrolpunkti novērtēšanai un novērtēti FEM. Kompozītmateriālu plāksnes maksimālā centrālā nobīde nenoslogotā stāvoklī tika noteikta ar DIC mērījumiem 4000 Pa slodzes līmenī pie 2,18 mm. Lai gan FEA pārvietojumi pie mazākām slodzēm (līdz 2000 Pa) joprojām var precīzi reproducēt eksperimentālās vērtības, nevar precīzi aprēķināt nelineāro deformācijas pieaugumu pie lielākām slodzēm.
Tomēr pētījumi ir parādījuši, ka kompozītmateriālu paneļi var izturēt lielas vēja slodzes. Īpaši izceļas vieglo paneļu augstā stingrība. Izmantojot analītiskos aprēķinus, kas balstīti uz Kirhhofa plākšņu lineāro teoriju [20], 2,18 mm deformācija pie 4000 Pa atbilst vienas 12 mm biezas stikla plāksnes deformācijai tādos pašos robežnosacījumos. Rezultātā stikla biezumu (kas ir energoietilpīgs ražošanā) šajā kompozītmateriāla panelī var samazināt līdz 2 x 3 mm stiklam, kā rezultātā tiek ietaupīts materiāls par 50%. Paneļa kopējā svara samazināšana nodrošina papildu priekšrocības montāžas ziņā. Lai gan ar 30 kg kompozītmateriālu paneli var viegli pārvietoties divi cilvēki, tradicionālam 50 kg stikla panelim ir nepieciešams tehniskais atbalsts, lai to varētu droši pārvietot. Lai precīzi attēlotu mehānisko uzvedību, turpmākajos pētījumos būs nepieciešami detalizētāki skaitliskie modeļi. Galīgo elementu analīzi var vēl vairāk uzlabot ar plašākiem nelineāro materiālu modeļiem polimēriem un adhezīvās saites modelēšanai.
Digitālo procesu attīstībai un uzlabošanai ir galvenā loma būvniecības nozares ekonomisko un vides rādītāju uzlabošanā. Turklāt plānā stikla izmantošana fasādēs sola enerģijas un resursu ietaupījumu un paver jaunas iespējas arhitektūrai. Tomēr stikla mazā biezuma dēļ ir nepieciešami jauni dizaina risinājumi, lai stiklu adekvāti pastiprinātu. Tāpēc šajā rakstā izklāstītais pētījums pēta kompozītmateriālu paneļu koncepciju, kas izgatavota no plāna stikla un savienotām pastiprinātām 3D drukātām polimēru kodola konstrukcijām. Viss ražošanas process no projektēšanas līdz ražošanai ir digitalizēts un automatizēts. Ar Grasshopper palīdzību tika izstrādāta darbplūsma no faila līdz rūpnīcai, lai nākotnē fasādēs varētu izmantot plānus stikla kompozītmateriālu paneļus.
Pirmā prototipa ražošana parādīja robotizētās ražošanas iespējamību un izaicinājumus. Lai gan aditīvā un atņemošā ražošana jau ir labi integrēta, pilnībā automatizēta līmju uzklāšana un montāža jo īpaši rada papildu problēmas, kas jārisina turpmākajos pētījumos. Veicot iepriekšēju mehānisko testēšanu un ar to saistīto galīgo elementu izpētes modelēšanu, ir pierādīts, ka vieglie un plānie stikla šķiedras paneļi nodrošina pietiekamu lieces stingrību paredzētajam fasādes lietojumam pat ārkārtējas vēja slodzes apstākļos. Autoru pašreizējais pētījums turpinās pētīt digitāli izgatavotu plānu stikla kompozītmateriālu paneļu potenciālu fasādes pielietojumam un demonstrēt to efektivitāti.
Autori vēlas pateikties visiem atbalstītājiem, kas saistīti ar šo pētījumu. Pateicoties Eiropas Savienības fondu finansējuma programmai EFRE SAB granta veidā Nr., lai nodrošinātu finanšu līdzekļus manipulatora ar ekstrūderi un frēzēšanas iekārtas iegādei. 100537005. Turklāt AiF-ZIM tika atzīts par Glasfur3D pētniecības projekta finansēšanu (granta numurs ZF4123725WZ9) sadarbībā ar Glaswerkstätten Glas Ahne, kas sniedza nozīmīgu atbalstu šim pētniecības darbam. Visbeidzot, Friedrich Siemens laboratorija un tās līdzstrādnieki, īpaši Fēlikss Hegevalds un studentu asistents Džonatans Holcers, atzīst ražošanas un fiziskās pārbaudes tehnisko atbalstu un ieviešanu, kas bija šī raksta pamatā.
Izlikšanas laiks: Aug-04-2023