Použití tenkého skla slibuje splnění různých úkolů ve stavebnictví. Kromě ekologických výhod efektivnějšího využívání zdrojů mohou architekti použít tenké sklo k dosažení nových stupňů volnosti designu. Na základě sendvičové teorie lze flexibilní tenké sklo kombinovat s 3D tištěným polymerovým jádrem s otevřenými buňkami a vytvořit tak velmi tuhé a lehké
kompozitní prvky. Tento článek představuje průzkumný pokus o digitální výrobu tenkých sklokompozitních fasádních panelů pomocí průmyslových robotů. Vysvětluje koncept digitalizace pracovních postupů mezi továrnami, včetně počítačově podporovaného navrhování (CAD), inženýrství (CAE) a výroby (CAM). Studie demonstruje proces parametrického návrhu, který umožňuje bezproblémovou integraci nástrojů digitální analýzy.
Tento proces navíc ukazuje potenciál a výzvy digitální výroby tenkých skleněných kompozitních panelů. Zde jsou vysvětleny některé výrobní kroky prováděné ramenem průmyslového robota, jako je velkoformátová aditivní výroba, povrchové obrábění, lepení a montážní procesy. Konečně, poprvé bylo dosaženo hlubokého pochopení mechanických vlastností kompozitních panelů prostřednictvím experimentálních a numerických studií a hodnocení mechanických vlastností kompozitních panelů při povrchovém zatížení. Celkový koncept pracovního postupu digitálního designu a výroby, stejně jako výsledky experimentálních studií, poskytují základ pro další integraci metod definice tvaru a analýzy, jakož i pro provádění rozsáhlých mechanistických studií v budoucích studiích.
Digitální výrobní metody nám umožňují zlepšit výrobu transformací tradičních metod a poskytnutím nových konstrukčních možností [1]. Tradiční stavební metody mají tendenci nadměrně využívat materiály z hlediska nákladů, základní geometrie a bezpečnosti. Přesunutím konstrukce do továren, využitím modulární prefabrikace a robotiky k implementaci nových konstrukčních metod lze materiály efektivně používat, aniž by byla ohrožena bezpečnost. Digitální výroba nám umožňuje rozšířit naši designovou představivost a vytvářet rozmanitější, efektivnější a ambicióznější geometrické tvary. Zatímco procesy návrhu a výpočtů byly z velké části digitalizovány, výroba a montáž se stále z velké části provádí ručně tradičními způsoby. Digitální výrobní procesy se stávají stále důležitějšími, aby se vyrovnaly se stále složitějšími volně tvarovanými strukturami. Touha po svobodě a flexibilitě designu, zejména pokud jde o fasády, neustále roste. Kromě vizuálního efektu umožňují fasády volného tvaru také vytvářet efektivnější struktury, například využitím membránových efektů [2]. Velký potenciál digitálních výrobních procesů navíc spočívá v jejich efektivitě a možnosti optimalizace designu.
Tento článek zkoumá, jak lze digitální technologii použít k návrhu a výrobě inovativního kompozitního fasádního panelu sestávajícího z aditivně vyrobeného polymerového jádra a lepených tenkých skleněných vnějších panelů. Kromě nových architektonických možností spojených s použitím tenkého skla byla důležitou motivací pro použití menšího množství materiálu na konstrukci pláště budovy také environmentální a ekonomická kritéria. Se změnou klimatu, nedostatkem zdrojů a rostoucími cenami energie v budoucnu je třeba sklo používat chytřeji. Použití tenkého skla o tloušťce menší než 2 mm z elektronického průmyslu činí fasádu lehkou a snižuje spotřebu surovin.
Díky vysoké flexibilitě tenkého skla otevírá nové možnosti pro architektonické aplikace a zároveň představuje nové inženýrské výzvy [3,4,5,6]. Zatímco současná realizace fasádních projektů s použitím tenkého skla je omezená, tenké sklo se stále více používá ve stavebních a architektonických studiích. Vzhledem k vysoké schopnosti tenkého skla elastické deformace vyžaduje jeho použití ve fasádách zesílená konstrukční řešení [7]. Kromě využití membránového efektu díky zakřivené geometrii [8] lze moment setrvačnosti zvýšit také vícevrstvou strukturou skládající se z polymerního jádra a nalepené tenké skleněné vnější tabule. Tento přístup se ukázal jako slibný díky použití tvrdého průhledného polykarbonátového jádra, které je méně husté než sklo. Kromě pozitivního mechanického působení byla splněna další bezpečnostní kritéria [9].
Přístup v následující studii je založen na stejném konceptu, ale s použitím aditivně vyrobeného průsvitného jádra s otevřenými póry. To zaručuje vyšší míru geometrické volnosti a konstrukčních možností a také integraci fyzických funkcí budovy [10]. Takové kompozitní panely se ukázaly jako zvláště účinné při mechanickém testování [11] a slibují snížení množství použitého skla až o 80 %. Tím se nejen sníží potřebné zdroje, ale také se výrazně sníží hmotnost panelů, čímž se zvýší účinnost spodní stavby. Ale nové formy výstavby vyžadují nové formy výroby. Efektivní konstrukce vyžadují efektivní výrobní procesy. Digitální design přispívá k digitální výrobě. Tento článek navazuje na předchozí výzkum autora tím, že představuje studii digitálního výrobního procesu tenkých skleněných kompozitních panelů pro průmyslové roboty. Důraz je kladen na digitalizaci pracovního toku prvních velkoformátových prototypů pro přenos souborů do továrny, aby se zvýšila automatizace výrobního procesu.
Kompozitní panel (obrázek 1) se skládá ze dvou tenkých skleněných překryvů obalených kolem AM polymerního jádra. Obě části jsou spojeny lepidlem. Účelem tohoto návrhu je co nejefektivněji rozložit zatížení na celý úsek. Ohybové momenty vytvářejí normálová napětí ve skořepině. Boční síly způsobují smyková napětí v jádru a lepených spojích.
Vnější vrstva sendvičové struktury je vyrobena z tenkého skla. V zásadě se bude používat sodnovápenatokřemičité sklo. Při cílové tloušťce < 2 mm dosahuje proces tepelného popouštění současné technologické hranice. Chemicky zpevněné hlinitokřemičité sklo lze považovat za zvláště vhodné, pokud je požadována vyšší pevnost z důvodu konstrukce (např. za studena ohýbané panely) nebo použití [12]. Funkce prostupu světla a ochrany životního prostředí budou doplněny dobrými mechanickými vlastnostmi, jako je dobrá odolnost proti poškrábání a relativně vysoký Youngův modul ve srovnání s jinými materiály používanými v kompozitech. Vzhledem k omezené velikosti dostupné pro chemicky tvrzené tenké sklo byly k vytvoření prvního velkého prototypu použity panely z plně tvrzeného sodnovápenatého skla o tloušťce 3 mm.
Nosná konstrukce je uvažována jako tvarová část kompozitního panelu. Jsou jím ovlivněny téměř všechny atributy. Díky aditivní metodě výroby je zároveň centrem digitálního výrobního procesu. Termoplasty se zpracovávají tavením. To umožňuje použití velkého množství různých polymerů pro specifické aplikace. Topologie hlavních prvků může být navržena s různým důrazem v závislosti na jejich funkci. Pro tento účel lze tvarový design rozdělit do následujících čtyř konstrukčních kategorií: konstrukční návrh, funkční design, estetický design a výrobní design. Každá kategorie může mít různé účely, což může vést k různým topologiím.
Během předběžné studie byly některé z hlavních návrhů testovány na vhodnost jejich návrhu [11]. Z mechanického hlediska je zvláště účinný třídobý minimální povrch jádra gyroskopu. To poskytuje vysokou mechanickou odolnost proti ohybu při relativně nízké spotřebě materiálu. Kromě buněčných základních struktur reprodukovaných v povrchových oblastech může být topologie generována také jinými technikami hledání tvaru. Generování napěťové čáry je jedním z možných způsobů optimalizace tuhosti při co nejnižší hmotnosti [13]. Avšak voštinová struktura, široce používaná v sendvičových konstrukcích, byla použita jako výchozí bod pro vývoj výrobní linky. Tato základní forma vede k rychlému pokroku ve výrobě, zejména díky snadnému programování dráhy nástroje. Jeho chování v kompozitních panelech bylo rozsáhle studováno [14, 15, 16] a vzhled lze měnit mnoha způsoby pomocí parametrizace a lze jej také použít pro počáteční optimalizační koncepty.
Existuje mnoho termoplastických polymerů, které je třeba vzít v úvahu při výběru polymeru, v závislosti na použitém procesu vytlačování. Počáteční předběžné studie materiálů v malém měřítku snížily počet polymerů považovaných za vhodné pro použití na fasádách [11]. Polykarbonát (PC) je perspektivní díky své tepelné odolnosti, UV odolnosti a vysoké tuhosti. Kvůli dodatečným technickým a finančním investicím potřebným ke zpracování polykarbonátu byl k výrobě prvních prototypů použit ethylenglykolem modifikovaný polyethylentereftalát (PETG). Obzvláště snadno se zpracovává při relativně nízkých teplotách s nízkým rizikem tepelného namáhání a deformace součástí. Zde zobrazený prototyp je vyroben z recyklovaného PETG s názvem PIPG. Materiál byl předběžně sušen při 60 °C po dobu alespoň 4 h a zpracován na granule s obsahem skelných vláken 20 % [17].
Lepidlo poskytuje pevné spojení mezi strukturou polymerového jádra a tenkým skleněným víčkem. Když jsou kompozitní panely vystaveny ohybovému zatížení, adhezivní spoje jsou vystaveny smykovému napětí. Proto je preferováno tvrdší lepidlo, které může snížit průhyb. Čirá lepidla také pomáhají zajistit vysokou vizuální kvalitu při lepení na čiré sklo. Dalším důležitým faktorem při výběru lepidla je vyrobitelnost a integrace do automatizovaných výrobních procesů. Zde mohou lepidla vytvrzovaná UV zářením s flexibilní dobou vytvrzování značně zjednodušit umístění krycích vrstev. Na základě předběžných testů byla testována řada lepidel na jejich vhodnost pro tenké skleněné kompozitní panely [18]. Loctite® AA 3345™ UV tvrditelný akrylát [19] se ukázal jako zvláště vhodný pro následující proces.
Pro využití možností aditivní výroby a flexibility tenkého skla byl celý proces navržen tak, aby fungoval digitálně a parametricky. Grasshopper se používá jako vizuální programovací rozhraní, vyhýbá se rozhraním mezi různými programy. Všechny obory (strojírenství, strojírenství a výroba) se budou vzájemně podporovat a doplňovat v jednom souboru s přímou zpětnou vazbou od operátora. V této fázi studie je pracovní postup stále ve vývoji a sleduje vzor znázorněný na obrázku 2. Různé cíle lze seskupit do kategorií v rámci oborů.
Přestože výroba sendvičových panelů v tomto článku byla automatizována s uživatelsky zaměřeným návrhem a přípravou výroby, integrace a ověření jednotlivých inženýrských nástrojů nebyly plně realizovány. Na základě parametrického návrhu geometrie fasády je možné navrhnout vnější plášť budovy na makro úrovni (fasáda) a mezo (fasádní panely). Ve druhém kroku je cílem smyčky inženýrské zpětné vazby vyhodnotit bezpečnost a vhodnost a také životaschopnost výroby obvodových plášťů. Nakonec jsou výsledné panely připraveny pro digitální výrobu. Program zpracovává vyvinutou základní strukturu ve strojově čitelném G-kódu a připravuje ji pro aditivní výrobu, subtraktivní post-processing a lepení skla.
Proces návrhu je posuzován na dvou různých úrovních. Kromě toho, že makro tvar fasád ovlivňuje geometrii každého kompozitního panelu, lze na mezo úrovni navrhnout i topologii samotného jádra. Při použití parametrického modelu fasády lze tvar a vzhled ovlivnit ukázkovými částmi fasády pomocí posuvníků znázorněných na obrázku 3. Celkový povrch se tedy skládá z uživatelem definovaného škálovatelného povrchu, který lze deformovat pomocí bodových atraktorů a upravovat pomocí určující minimální a maximální stupeň deformace. To poskytuje vysoký stupeň flexibility při navrhování obvodových plášťů budov. Tato míra volnosti je však omezena technickými a výrobními omezeními, která pak hrají roli algoritmy v inženýrské části.
Kromě výšky a šířky celé fasády je určeno členění fasádních panelů. Pokud jde o jednotlivé fasádní panely, lze je přesněji definovat na mezo úrovni. To ovlivňuje topologii samotné struktury jádra a také tloušťku skla. Tyto dvě proměnné, stejně jako velikost panelu, mají důležitou souvislost s modelováním ve strojírenství. Návrh a vývoj celé makro a meso úrovně lze provádět z hlediska optimalizace ve čtyřech kategoriích struktury, funkce, estetiky a designu produktu. Uživatelé mohou vytvořit celkový vzhled a dojem z obálky budovy tím, že upřednostní tyto oblasti.
Projekt je podporován inženýrskou částí pomocí zpětnovazební smyčky. Za tímto účelem jsou cíle a okrajové podmínky definovány v kategorii optimalizace znázorněné na obr. 2. Poskytují koridory, které jsou technicky proveditelné, fyzicky spolehlivé a bezpečné pro výstavbu z inženýrského hlediska, což má významný dopad na projektování. Toto je výchozí bod pro různé nástroje, které lze integrovat přímo do Grasshopperu. Při dalších výzkumech lze mechanické vlastnosti vyhodnotit pomocí analýzy konečných prvků (FEM) nebo dokonce analytických výpočtů.
Studie slunečního záření, analýza přímé viditelnosti a modelování trvání slunečního svitu mohou navíc vyhodnotit dopad kompozitních panelů na stavební fyziku. Je důležité příliš neomezovat rychlost, efektivitu a flexibilitu procesu návrhu. Výsledky zde získané jako takové byly navrženy tak, aby poskytovaly další vodítko a podporu procesu navrhování a nenahrazují podrobnou analýzu a zdůvodnění na konci procesu navrhování. Tento strategický plán pokládá základ pro další kategorický výzkum s prokázanými výsledky. Například je zatím málo známo o mechanickém chování kompozitních panelů při různých podmínkách zatížení a podpory.
Po dokončení návrhu a inženýrství je model připraven k digitální výrobě. Výrobní proces je rozdělen do čtyř dílčích etap (obr. 4). Nejprve byla hlavní konstrukce vyrobena aditivně pomocí rozsáhlého robotického 3D tiskového zařízení. Povrch je poté frézován pomocí stejného robotického systému, aby se zlepšila kvalita povrchu potřebná pro dobré spojení. Po vyfrézování se lepidlo nanese podél struktury jádra pomocí speciálně navrženého dávkovacího systému namontovaného na stejném robotickém systému, jaký se používá pro proces tisku a frézování. Nakonec je sklo instalováno a položeno před UV vytvrzením lepeného spoje.
Pro aditivní výrobu musí být definovaná topologie základní struktury přeložena do CNC strojového jazyka (GCode). Pro jednotné a vysoce kvalitní výsledky je cílem vytisknout každou vrstvu, aniž by tryska extrudéru spadla. Tím se zabrání nežádoucímu přetlaku na začátku a konci pohybu. Proto byl pro použitý vzor buňky napsán skript generování spojité trajektorie. Tím se vytvoří parametrická souvislá křivka se stejným počátečním a koncovým bodem, která se přizpůsobí zvolené velikosti panelu, počtu a velikosti voštiny podle návrhu. Kromě toho lze před pokládkou vedení zadat parametry, jako je šířka čáry a výška čáry, aby se dosáhlo požadované výšky hlavní konstrukce. Dalším krokem ve skriptu je napsat příkazy G-kódu.
To se provádí zaznamenáváním souřadnic každého bodu na lince s dalšími informacemi o stroji, jako jsou další relevantní osy pro polohování a řízení objemu vytlačování. Výsledný G-kód lze poté přenést do výrobních strojů. V tomto příkladu je rameno průmyslového robotu Comau NJ165 na lineární kolejnici použito k ovládání extrudéru CEAD E25 podle G-kódu (obrázek 5). První prototyp používal postindustriální PETG s obsahem skelných vláken 20 %. Z hlediska mechanického testování se cílová velikost blíží velikosti stavebnictví, takže rozměry hlavního prvku jsou 1983 × 876 mm s 6 × 4 voštinový článek. 6 mm a 2 mm vysoké.
Předběžné testy ukázaly, že existuje rozdíl v adhezní síle mezi lepidlem a pryskyřicí pro 3D tisk v závislosti na jejích povrchových vlastnostech. K tomu jsou zkušební vzorky pro aditivní výrobu přilepeny nebo laminovány na sklo a podrobeny tahu nebo smyku. Při předběžném mechanickém opracování povrchu polymeru frézováním se pevnost výrazně zvýšila (obr. 6). Kromě toho zlepšuje rovinnost jádra a zabraňuje defektům způsobeným přílišným vytlačováním. Zde použitý akrylát LOCTITE® AA 3345™ [19] vytvrditelný UV zářením je citlivý na podmínky zpracování.
To má často za následek vyšší směrodatnou odchylku pro vzorky pro zkoušku vazby. Po aditivní výrobě byla jádrová struktura vyfrézována na profilové frézce. G-kód potřebný pro tuto operaci je automaticky generován z drah nástroje již vytvořených pro proces 3D tisku. Struktura jádra musí být vytištěna o něco výše, než je zamýšlená výška jádra. V tomto příkladu byla struktura jádra o tloušťce 18 mm zmenšena na 14 mm.
Tato část výrobního procesu je velkou výzvou pro plnou automatizaci. Použití lepidel klade vysoké nároky na přesnost a preciznost strojů. Pneumatický dávkovací systém se používá k nanášení lepidla podél struktury jádra. Je veden robotem po frézované ploše v souladu s definovanou dráhou nástroje. Ukazuje se, že nahrazení tradiční dávkovací špičky kartáčkem je obzvláště výhodné. To umožňuje, aby byla lepidla s nízkou viskozitou dávkována rovnoměrně podle objemu. Toto množství je určeno tlakem v systému a rychlostí robota. Pro větší přesnost a vysokou kvalitu lepení jsou preferovány nízké rychlosti posuvu 200 až 800 mm/min.
Akrylát s průměrnou viskozitou 1500 mPa*s byl nanesen na stěnu polymerního jádra o šířce 6 mm pomocí dávkovacího štětce o vnitřním průměru 0,84 mm a šířce štětce 5 při aplikovaném tlaku 0,3 až 0,6 mbar. mm. Lepidlo se následně rozetře po povrchu podkladu a vlivem povrchového napětí vytvoří vrstvu o tloušťce 1 mm. Přesné stanovení tloušťky lepidla zatím nelze automatizovat. Doba trvání procesu je důležitým kritériem pro výběr lepidla. Zde vyrobená jádrová konstrukce má délku dráhy 26 m, a tedy dobu aplikace 30 až 60 minut.
Po nanesení lepidla nainstalujte okno s dvojitým zasklením na místo. Vzhledem k malé tloušťce materiálu je tenké sklo již silně deformováno vlastní vahou a musí být proto umístěno co nejrovnoměrněji. K tomu se používají pneumatické skleněné přísavky s časově rozptýlenými přísavkami. Umisťuje se na součást pomocí jeřábu a v budoucnu může být umístěn přímo pomocí robotů. Skleněná deska byla umístěna rovnoběžně s povrchem jádra na vrstvu lepidla. Přídavná skleněná deska (tloušťka 4 až 6 mm) zvyšuje tlak na ni díky nižší hmotnosti.
Výsledkem by mělo být úplné smáčení povrchu skla podél struktury jádra, jak lze posoudit z počáteční vizuální kontroly viditelných barevných rozdílů. Proces aplikace může mít také významný vliv na kvalitu finálního lepeného spoje. Po lepení se skleněnými panely nesmí pohybovat, protože by to mělo za následek viditelné zbytky lepidla na skle a defekty ve skutečné vrstvě lepidla. Nakonec se lepidlo vytvrdí UV zářením o vlnové délce 365 nm. K tomu se po celé ploše lepidla po dobu 60 s postupně vede UV lampa s hustotou výkonu 6 mW/cm2.
Koncept lehkých a přizpůsobitelných tenkých skleněných kompozitních panelů s aditivně vyrobeným polymerním jádrem, o kterém se zde diskutuje, je určen pro použití na budoucích fasádách. Kompozitní panely tedy musí vyhovovat platným normám a splňovat požadavky na mezní stavy provozu (SLS), mezní stavy mezní pevnosti (ULS) a bezpečnostní požadavky. Kompozitní panely proto musí být bezpečné, pevné a dostatečně tuhé, aby vydržely zatížení (např. povrchové zatížení) bez porušení nebo nadměrné deformace. Aby se prozkoumala mechanická odezva dříve vyrobených tenkých skleněných kompozitních panelů (jak je popsáno v části Mechanické testování), byly podrobeny zkouškám zatížení větrem, jak je popsáno v další podkapitole.
Účelem fyzikálního testování je studium mechanických vlastností kompozitních panelů vnějších stěn při zatížení větrem. Za tímto účelem byly vyrobeny kompozitní panely skládající se z 3 mm tlusté vnější tabule z plně tvrzeného skla a 14 mm tlustého aditivně vyrobeného jádra (z PIPG-GF20) jak je popsáno výše s použitím lepidla Henkel Loctite AA 3345 (obr. 7 vlevo). )). . Kompozitní panely jsou poté připevněny k dřevěnému nosnému rámu pomocí kovových šroubů, které jsou zašroubovány skrz dřevěný rám a do stran hlavní konstrukce. Po obvodu panelu bylo umístěno 30 šroubů (viz černá čára vlevo na obr. 7), aby se co nejvěrněji reprodukovaly podmínky lineární podpory po obvodu.
Testovací rám byl poté utěsněn k vnější testovací stěně aplikací tlaku větru nebo sání větru za kompozitním panelem (obrázek 7, vpravo nahoře). K záznamu dat se používá digitální korelační systém (DIC). K tomu je vnější sklo kompozitního panelu pokryto tenkou elastickou fólií natištěnou na něm s perleťovým šumovým vzorem (obr. 7, vpravo dole). DIC používá dvě kamery k záznamu relativní polohy všech bodů měření na celém povrchu skla. Byly zaznamenány dva snímky za sekundu a použity pro vyhodnocení. Tlak v komoře, obklopené kompozitními panely, je zvyšován pomocí ventilátoru v krocích po 1000 Pa až na maximální hodnotu 4000 Pa, takže každá úroveň zatížení je udržována po dobu 10 sekund.
Fyzikální uspořádání experimentu je také reprezentováno numerickým modelem se stejnými geometrickými rozměry. K tomu slouží numerický program Ansys Mechanical. Struktura jádra byla geometrická síť s použitím šestihranných prvků SOLID 185 se stranami 20 mm pro sklo a čtyřstěnných prvků SOLID 187 se stranami 3 mm. Pro zjednodušení modelování se v této fázi studie předpokládá, že použitý akrylát je ideálně tuhý a tenký a je definován jako tuhá vazba mezi sklem a materiálem jádra.
Kompozitní panely jsou upevněny v přímce mimo jádro a skleněný panel je vystaven povrchovému tlakovému zatížení 4000 Pa. Přestože byly při modelování zohledněny geometrické nelinearity, v této fázi byly použity pouze lineární materiálové modely. studie. I když se jedná o platný předpoklad pro lineární elastickou odezvu skla (E = 70 000 MPa), podle datového listu výrobce (viskoelastického) polymerního materiálu jádra [17] byla v roce použita lineární tuhost E = 8245 MPa. současná analýza by měla být pečlivě zvážena a bude studována v budoucím výzkumu.
Zde prezentované výsledky jsou vyhodnoceny především pro deformace při maximálním zatížení větrem do 4000 Pa (=ˆ4kN/m2). K tomu byly snímky zaznamenané metodou DIC porovnány s výsledky numerické simulace (FEM) (obr. 8 vpravo dole). Zatímco v MKP je vypočteno ideální celkové přetvoření 0 mm s „ideálními“ lineárními podporami v okrajové oblasti (tj. obvod panelu), při vyhodnocování DIC je třeba vzít v úvahu fyzické posunutí okrajové oblasti. To je způsobeno montážními tolerancemi a deformací zkušebního rámu a jeho těsnění. Pro srovnání bylo průměrné posunutí v okrajové oblasti (přerušovaná bílá čára na obr. 8) odečteno od maximálního posunutí ve středu panelu. Posuny určené pomocí DIC a FEA jsou porovnány v tabulce 1 a jsou graficky znázorněny v levém horním rohu obr. 8.
Čtyři aplikované úrovně zatížení experimentálního modelu byly použity jako kontrolní body pro vyhodnocení a vyhodnoceny v MKP. Maximální středový posun kompozitní desky v nezatíženém stavu byl stanoven měřením DIC při úrovni zatížení 4000 Pa při 2,18 mm. Zatímco posuny FEA při nižších zatíženích (do 2000 Pa) mohou stále přesně reprodukovat experimentální hodnoty, nelineární nárůst přetvoření při vyšších zatíženích nelze přesně vypočítat.
Studie však ukázaly, že kompozitní panely vydrží extrémní zatížení větrem. Vyniká především vysoká tuhost lehkých panelů. Pomocí analytických výpočtů založených na lineární teorii Kirchhoffových desek [20] odpovídá deformace 2,18 mm při 4000 Pa deformaci jedné skleněné desky o tloušťce 12 mm za stejných okrajových podmínek. V důsledku toho lze tloušťku skla (která je při výrobě energeticky náročná) v tomto kompozitním panelu zmenšit na sklo 2 x 3 mm, což vede k úspoře materiálu 50 %. Snížení celkové hmotnosti panelu poskytuje další výhody z hlediska montáže. Zatímco s 30kg kompozitním panelem mohou snadno manipulovat dva lidé, tradiční 50kg skleněný panel vyžaduje technickou podporu pro bezpečný pohyb. Aby bylo možné přesně reprezentovat mechanické chování, budou v budoucích studiích vyžadovány podrobnější numerické modely. Analýza konečných prvků může být dále rozšířena o rozsáhlejší nelineární materiálové modely pro polymery a modelování adhezivních vazeb.
Rozvoj a zlepšování digitálních procesů hraje klíčovou roli ve zlepšování ekonomické a environmentální výkonnosti ve stavebnictví. Použití tenkého skla ve fasádách navíc slibuje úsporu energie a zdrojů a otevírá nové možnosti pro architekturu. Vzhledem k malé tloušťce skla jsou však vyžadována nová konstrukční řešení, aby bylo sklo dostatečně vyztuženo. Proto studie prezentovaná v tomto článku zkoumá koncept kompozitních panelů vyrobených z tenkého skla a lepených vyztužených 3D tištěných polymerních jader. Celý výrobní proces od návrhu až po výrobu byl digitalizován a automatizován. S pomocí Grasshopper byl vyvinut pracovní postup file-to-factory, který umožňuje použití tenkých skleněných kompozitních panelů na budoucích fasádách.
Výroba prvního prototypu demonstrovala proveditelnost a výzvy robotické výroby. Zatímco aditivní a subtraktivní výroba jsou již dobře integrovány, plně automatizované nanášení a montáž lepidel představuje další výzvy, které je třeba řešit v budoucím výzkumu. Prostřednictvím předběžného mechanického testování a souvisejícího modelování výzkumu konečných prvků se ukázalo, že lehké a tenké sklolaminátové panely poskytují dostatečnou ohybovou tuhost pro zamýšlené fasádní aplikace, a to i při extrémních podmínkách zatížení větrem. Probíhající výzkum autorů dále prozkoumá potenciál digitálně vyrobených tenkých skleněných kompozitních panelů pro fasádní aplikace a prokáže jejich účinnost.
Autoři by rádi poděkovali všem podporovatelům spojeným s touto výzkumnou prací. Díky dotačnímu programu EFRE SAB financovanému z fondů Evropské unie formou dotace č poskytnout finanční prostředky na nákup manipulátoru s extruderem a frézovacím zařízením. 100537005. Kromě toho byl AiF-ZIM oceněn za financování výzkumného projektu Glasfur3D (číslo grantu ZF4123725WZ9) ve spolupráci s Glaswerkstätten Glas Ahne, která poskytla významnou podporu této výzkumné práci. A konečně, Friedrich Siemens Laboratory a její spolupracovníci, zejména Felix Hegewald a studentský asistent Jonathan Holzerr, oceňují technickou podporu a implementaci výroby a fyzického testování, které tvořily základ pro tento článek.
Čas odeslání: srpen-04-2023