Penggunaan kaca nipis menjanjikan untuk memenuhi pelbagai tugas dalam industri pembinaan. Sebagai tambahan kepada faedah alam sekitar daripada penggunaan sumber yang lebih cekap, arkitek boleh menggunakan kaca nipis untuk mencapai tahap kebebasan reka bentuk baharu. Berdasarkan teori sandwic, kaca nipis fleksibel boleh digabungkan dengan teras polimer sel terbuka bercetak 3D untuk membentuk sangat tegar dan ringan.
unsur komposit. Artikel ini membentangkan percubaan penerokaan pada fabrikasi digital panel muka bangunan komposit kaca nipis menggunakan robot industri. Ia menerangkan konsep pendigitan aliran kerja kilang ke kilang, termasuk reka bentuk bantuan komputer (CAD), kejuruteraan (CAE) dan pembuatan (CAM). Kajian ini menunjukkan proses reka bentuk parametrik yang membolehkan penyepaduan lancar alat analisis digital.
Di samping itu, proses ini menunjukkan potensi dan cabaran pembuatan panel komposit kaca nipis secara digital. Beberapa langkah pembuatan yang dilakukan oleh lengan robot industri, seperti pembuatan bahan tambahan format besar, pemesinan permukaan, proses gam dan pemasangan, dijelaskan di sini. Akhirnya, buat pertama kalinya, pemahaman mendalam tentang sifat mekanikal panel komposit telah diperolehi melalui kajian eksperimen dan berangka serta penilaian sifat mekanikal panel komposit di bawah beban permukaan. Konsep keseluruhan reka bentuk digital dan aliran kerja fabrikasi, serta hasil kajian eksperimen, menyediakan asas untuk penyepaduan lanjut kaedah definisi dan analisis bentuk, serta untuk menjalankan kajian mekanistik yang meluas dalam kajian akan datang.
Kaedah pembuatan digital membolehkan kami meningkatkan pengeluaran dengan mengubah kaedah tradisional dan menyediakan kemungkinan reka bentuk baharu [1]. Kaedah pembinaan tradisional cenderung menggunakan bahan secara berlebihan dari segi kos, geometri asas, dan keselamatan. Dengan memindahkan pembinaan ke kilang, menggunakan prafabrikasi modular dan robotik untuk melaksanakan kaedah reka bentuk baharu, bahan boleh digunakan dengan cekap tanpa menjejaskan keselamatan. Pembuatan digital membolehkan kami mengembangkan imaginasi reka bentuk kami untuk mencipta bentuk geometri yang lebih pelbagai, cekap dan bercita-cita tinggi. Walaupun proses reka bentuk dan pengiraan sebahagian besarnya telah didigitalkan, pembuatan dan pemasangan masih banyak dilakukan secara manual dengan cara tradisional. Untuk menghadapi struktur bentuk bebas yang semakin kompleks, proses pembuatan digital menjadi semakin penting. Keinginan untuk kebebasan dan fleksibiliti reka bentuk, terutamanya apabila ia berkaitan dengan fasad, semakin meningkat. Sebagai tambahan kepada kesan visual, fasad bentuk bebas juga membolehkan anda mencipta struktur yang lebih cekap, contohnya, melalui penggunaan kesan membran [2]. Di samping itu, potensi besar proses pembuatan digital terletak pada kecekapannya dan kemungkinan pengoptimuman reka bentuk.
Artikel ini meneroka cara teknologi digital boleh digunakan untuk mereka bentuk dan mengeluarkan panel muka bangunan komposit inovatif yang terdiri daripada teras polimer yang direka bentuk tambahan dan panel luar kaca nipis terikat. Sebagai tambahan kepada kemungkinan seni bina baharu yang berkaitan dengan penggunaan kaca nipis, kriteria alam sekitar dan ekonomi juga telah menjadi motivasi penting untuk menggunakan kurang bahan untuk membina sampul bangunan. Dengan perubahan iklim, kekurangan sumber dan kenaikan harga tenaga pada masa hadapan, kaca mesti digunakan dengan lebih bijak. Penggunaan kaca nipis kurang daripada 2 mm tebal dari industri elektronik menjadikan fasad cahaya dan mengurangkan penggunaan bahan mentah.
Oleh kerana fleksibiliti tinggi kaca nipis, ia membuka kemungkinan baru untuk aplikasi seni bina dan pada masa yang sama menimbulkan cabaran kejuruteraan baru [3,4,5,6]. Walaupun pelaksanaan semasa projek fasad menggunakan kaca nipis adalah terhad, kaca nipis semakin digunakan dalam kajian kejuruteraan awam dan seni bina. Oleh kerana keupayaan tinggi kaca nipis untuk ubah bentuk elastik, penggunaannya dalam fasad memerlukan penyelesaian struktur bertetulang [7]. Selain mengeksploitasi kesan membran akibat geometri melengkung [8], momen inersia juga boleh ditingkatkan dengan struktur berbilang lapisan yang terdiri daripada teras polimer dan lembaran luar kaca nipis yang terpaku. Pendekatan ini telah menunjukkan janji kerana penggunaan teras polikarbonat lutsinar keras, yang kurang tumpat daripada kaca. Sebagai tambahan kepada tindakan mekanikal yang positif, kriteria keselamatan tambahan telah dipenuhi [9].
Pendekatan dalam kajian berikut adalah berdasarkan konsep yang sama, tetapi menggunakan teras lutsinar liang terbuka yang dibuat secara tambahan. Ini menjamin tahap kebebasan geometri dan kemungkinan reka bentuk yang lebih tinggi, serta penyepaduan fungsi fizikal bangunan [10]. Panel komposit sedemikian telah terbukti berkesan terutamanya dalam ujian mekanikal [11] dan berjanji untuk mengurangkan jumlah kaca yang digunakan sehingga 80%. Ini bukan sahaja akan mengurangkan sumber yang diperlukan, tetapi juga mengurangkan berat panel dengan ketara, dengan itu meningkatkan kecekapan substruktur. Tetapi bentuk pembinaan baru memerlukan bentuk pengeluaran baru. Struktur yang cekap memerlukan proses pembuatan yang cekap. Reka bentuk digital menyumbang kepada pembuatan digital. Artikel ini meneruskan penyelidikan terdahulu penulis dengan membentangkan kajian proses pembuatan digital panel komposit kaca nipis untuk robot industri. Tumpuan adalah untuk mendigitalkan aliran kerja fail ke kilang bagi prototaip format besar pertama untuk meningkatkan automasi proses pembuatan.
Panel komposit (Rajah 1) terdiri daripada dua lapisan kaca nipis yang dibalut di sekeliling teras polimer AM. Kedua-dua bahagian disambungkan dengan gam. Tujuan reka bentuk ini adalah untuk mengagihkan beban ke seluruh bahagian secekap mungkin. Momen lentur mencipta tekanan biasa dalam cangkerang. Daya sisi menyebabkan tegasan ricih dalam teras dan sambungan pelekat.
Lapisan luar struktur sandwic diperbuat daripada kaca nipis. Pada dasarnya, kaca silikat soda-limau akan digunakan. Dengan ketebalan sasaran < 2 mm, proses pembajaan haba mencapai had teknologi semasa. Kaca aluminosilikat yang diperkukuh secara kimia boleh dianggap sangat sesuai jika kekuatan yang lebih tinggi diperlukan disebabkan oleh reka bentuk (contohnya panel yang dilipat sejuk) atau penggunaan [12]. Fungsi penghantaran cahaya dan perlindungan alam sekitar akan dilengkapkan dengan sifat mekanikal yang baik seperti rintangan calar yang baik dan modulus Young yang agak tinggi berbanding bahan lain yang digunakan dalam komposit. Disebabkan oleh saiz terhad yang tersedia untuk kaca nipis yang dikeraskan secara kimia, panel kaca soda limau tebal 3 mm yang dibaja sepenuhnya telah digunakan untuk mencipta prototaip berskala besar yang pertama.
Struktur sokongan dianggap sebagai bahagian berbentuk panel komposit. Hampir semua atribut dipengaruhi olehnya. Terima kasih kepada kaedah pembuatan aditif, ia juga merupakan pusat proses pembuatan digital. Termoplastik diproses dengan peleburan. Ini memungkinkan untuk menggunakan sejumlah besar polimer yang berbeza untuk aplikasi tertentu. Topologi elemen utama boleh direka bentuk dengan penekanan yang berbeza bergantung pada fungsinya. Untuk tujuan ini, reka bentuk bentuk boleh dibahagikan kepada empat kategori reka bentuk berikut: reka bentuk struktur, reka bentuk berfungsi, reka bentuk estetik, dan reka bentuk pengeluaran. Setiap kategori boleh mempunyai tujuan yang berbeza, yang boleh membawa kepada topologi yang berbeza.
Semasa kajian awal, beberapa reka bentuk utama telah diuji untuk kesesuaian reka bentuknya [11]. Dari sudut pandangan mekanikal, permukaan teras minimum tiga tempoh giroskop amat berkesan. Ini memberikan rintangan mekanikal yang tinggi kepada lenturan pada penggunaan bahan yang agak rendah. Sebagai tambahan kepada struktur asas selular yang dihasilkan semula di kawasan permukaan, topologi juga boleh dijana oleh teknik mencari bentuk lain. Penjanaan garis tekanan adalah salah satu cara yang mungkin untuk mengoptimumkan kekakuan pada berat yang paling rendah [13]. Walau bagaimanapun, struktur sarang lebah, digunakan secara meluas dalam pembinaan sandwic, telah digunakan sebagai titik permulaan untuk pembangunan barisan pengeluaran. Bentuk asas ini membawa kepada kemajuan pesat dalam pengeluaran, terutamanya melalui pengaturcaraan laluan alat yang mudah. Tingkah lakunya dalam panel komposit telah dikaji secara meluas [14, 15, 16] dan penampilan boleh diubah dalam banyak cara melalui parameterisasi dan juga boleh digunakan untuk konsep pengoptimuman awal.
Terdapat banyak polimer termoplastik yang perlu dipertimbangkan semasa memilih polimer, bergantung kepada proses penyemperitan yang digunakan. Kajian awal awal bahan berskala kecil telah mengurangkan bilangan polimer yang dianggap sesuai untuk digunakan dalam fasad [11]. Polikarbonat (PC) menjanjikan kerana rintangan haba, rintangan UV dan ketegaran yang tinggi. Disebabkan oleh pelaburan teknikal dan kewangan tambahan yang diperlukan untuk memproses polikarbonat, etilena glikol diubah suai polietilena tereftalat (PETG) telah digunakan untuk menghasilkan prototaip pertama. Ia amat mudah untuk diproses pada suhu yang agak rendah dengan risiko tekanan haba dan ubah bentuk komponen yang rendah. Prototaip yang ditunjukkan di sini diperbuat daripada PETG kitar semula yang dipanggil PIPG. Bahan tersebut telah dikeringkan terlebih dahulu pada suhu 60°C selama sekurang-kurangnya 4 jam dan diproses menjadi butiran dengan kandungan gentian kaca sebanyak 20% [17].
Pelekat memberikan ikatan yang kuat antara struktur teras polimer dan penutup kaca nipis. Apabila panel komposit dikenakan beban lentur, sambungan pelekat tertakluk kepada tegasan ricih. Oleh itu, pelekat yang lebih keras lebih disukai dan boleh mengurangkan pesongan. Pelekat jernih juga membantu memberikan kualiti visual yang tinggi apabila diikat pada kaca jernih. Satu lagi faktor penting semasa memilih pelekat ialah kebolehkilangan dan penyepaduan ke dalam proses pengeluaran automatik. Di sini pelekat pengawetan UV dengan masa pengawetan yang fleksibel boleh memudahkan kedudukan lapisan penutup. Berdasarkan ujian awal, satu siri pelekat telah diuji untuk kesesuaiannya untuk panel komposit kaca nipis [18]. Loctite® AA 3345™ akrilat boleh dirawat UV [19] terbukti amat sesuai untuk proses berikut.
Untuk memanfaatkan kemungkinan pembuatan bahan tambahan dan fleksibiliti kaca nipis, keseluruhan proses direka bentuk untuk berfungsi secara digital dan parametrik. Grasshopper digunakan sebagai antara muka pengaturcaraan visual, mengelakkan antara muka antara atur cara yang berbeza. Semua disiplin (kejuruteraan, kejuruteraan dan pembuatan) akan menyokong dan melengkapi antara satu sama lain dalam satu fail dengan maklum balas langsung daripada pengendali. Pada peringkat kajian ini, aliran kerja masih dalam pembangunan dan mengikut corak yang ditunjukkan dalam Rajah 2. Objektif yang berbeza boleh dikumpulkan ke dalam kategori dalam disiplin.
Walaupun pengeluaran panel sandwic dalam kertas kerja ini telah diautomasikan dengan reka bentuk dan penyediaan fabrikasi berpusat pengguna, penyepaduan dan pengesahan alat kejuruteraan individu belum direalisasikan sepenuhnya. Berdasarkan reka bentuk parametrik geometri fasad, adalah mungkin untuk mereka bentuk cangkerang luar bangunan pada peringkat makro (fasad) dan meso (panel fasad). Dalam langkah kedua, gelung maklum balas kejuruteraan bertujuan untuk menilai keselamatan dan kesesuaian serta daya maju fabrikasi dinding tirai. Akhirnya, panel yang terhasil sedia untuk pengeluaran digital. Program ini memproses struktur teras yang dibangunkan dalam kod G yang boleh dibaca mesin dan menyediakannya untuk pembuatan aditif, pemprosesan pasca tolak dan ikatan kaca.
Proses reka bentuk dipertimbangkan pada dua tahap yang berbeza. Sebagai tambahan kepada fakta bahawa bentuk makro fasad mempengaruhi geometri setiap panel komposit, topologi teras itu sendiri juga boleh direka pada tahap meso. Apabila menggunakan model muka bangunan parametrik, bentuk dan rupa boleh dipengaruhi oleh bahagian muka bangunan contoh menggunakan peluncur yang ditunjukkan dalam Rajah 3. Oleh itu, jumlah permukaan terdiri daripada permukaan boleh skala yang ditentukan pengguna yang boleh diubah bentuk menggunakan penarik titik dan diubah suai dengan menentukan tahap ubah bentuk minimum dan maksimum. Ini memberikan tahap fleksibiliti yang tinggi dalam reka bentuk sampul bangunan. Walau bagaimanapun, tahap kebebasan ini dihadkan oleh kekangan teknikal dan pembuatan, yang kemudiannya dimainkan oleh algoritma dalam bahagian kejuruteraan.
Sebagai tambahan kepada ketinggian dan lebar keseluruhan fasad, pembahagian panel fasad ditentukan. Bagi panel fasad individu, ia boleh ditakrifkan dengan lebih tepat pada tahap meso. Ini memberi kesan kepada topologi struktur teras itu sendiri, serta ketebalan kaca. Kedua-dua pembolehubah ini, serta saiz panel, mempunyai hubungan penting dengan pemodelan kejuruteraan mekanikal. Reka bentuk dan pembangunan keseluruhan peringkat makro dan meso boleh dijalankan dari segi pengoptimuman dalam empat kategori struktur, fungsi, estetika dan reka bentuk produk. Pengguna boleh membangunkan rupa dan rasa keseluruhan sampul bangunan dengan mengutamakan kawasan ini.
Projek ini disokong oleh bahagian kejuruteraan menggunakan gelung maklum balas. Untuk tujuan ini, matlamat dan syarat sempadan ditakrifkan dalam kategori pengoptimuman yang ditunjukkan dalam Rajah. 2. Ia menyediakan koridor yang boleh dilaksanakan secara teknikal, kukuh dari segi fizikal dan selamat untuk dibina dari sudut pandangan kejuruteraan, yang mempunyai kesan yang ketara pada reka bentuk. Ini adalah titik permulaan untuk pelbagai alat yang boleh disepadukan terus ke dalam Grasshopper. Dalam penyiasatan lanjut, sifat mekanikal boleh dinilai menggunakan Analisis Elemen Terhingga (FEM) atau pengiraan analitikal.
Di samping itu, kajian sinaran suria, analisis garis penglihatan, dan pemodelan tempoh cahaya matahari boleh menilai kesan panel komposit pada fizik bangunan. Adalah penting untuk tidak terlalu mengehadkan kelajuan, kecekapan dan fleksibiliti proses reka bentuk. Oleh itu, keputusan yang diperolehi di sini telah direka bentuk untuk memberikan panduan dan sokongan tambahan kepada proses reka bentuk dan bukan pengganti kepada analisis dan justifikasi terperinci pada akhir proses reka bentuk. Pelan strategik ini meletakkan asas untuk penyelidikan kategorikal lanjut untuk hasil yang terbukti. Sebagai contoh, masih sedikit yang diketahui tentang kelakuan mekanikal panel komposit di bawah pelbagai keadaan beban dan sokongan.
Setelah reka bentuk dan kejuruteraan selesai, model itu sedia untuk pengeluaran digital. Proses pembuatan dibahagikan kepada empat sub-peringkat (Rajah 4). Pertama, struktur utama dibuat secara tambahan menggunakan kemudahan percetakan 3D robotik berskala besar. Permukaan kemudiannya dikisar menggunakan sistem robotik yang sama untuk meningkatkan kualiti permukaan yang diperlukan untuk ikatan yang baik. Selepas pengilangan, pelekat digunakan di sepanjang struktur teras menggunakan sistem dos yang direka khas yang dipasang pada sistem robotik yang sama yang digunakan untuk proses pencetakan dan pengilangan. Akhir sekali, kaca dipasang dan diletakkan sebelum pengawetan UV bagi sambungan terikat.
Untuk pembuatan aditif, topologi yang ditentukan bagi struktur asas mesti diterjemahkan ke dalam bahasa mesin CNC (GCode). Untuk hasil yang seragam dan berkualiti tinggi, matlamatnya adalah untuk mencetak setiap lapisan tanpa muncung penyemperit jatuh. Ini menghalang tekanan berlebihan yang tidak diingini pada permulaan dan akhir pergerakan. Oleh itu, skrip penjanaan trajektori berterusan telah ditulis untuk corak sel yang digunakan. Ini akan mencipta garis poli berterusan parametrik dengan titik mula dan tamat yang sama, yang menyesuaikan dengan saiz panel yang dipilih, bilangan dan saiz sarang lebah mengikut reka bentuk. Selain itu, parameter seperti lebar garisan dan ketinggian garisan boleh ditentukan sebelum meletakkan garisan untuk mencapai ketinggian struktur utama yang dikehendaki. Langkah seterusnya dalam skrip ialah menulis arahan kod G.
Ini dilakukan dengan merekodkan koordinat setiap titik pada garisan dengan maklumat mesin tambahan seperti paksi lain yang berkaitan untuk kedudukan dan kawalan kelantangan penyemperitan. Kod G yang terhasil kemudiannya boleh dipindahkan ke mesin pengeluaran. Dalam contoh ini, lengan robot industri Comau NJ165 pada rel linear digunakan untuk mengawal penyemperit CEAD E25 mengikut kod G (Rajah 5). Prototaip pertama menggunakan PETG pasca industri dengan kandungan gentian kaca sebanyak 20%. Dari segi ujian mekanikal, saiz sasaran adalah hampir dengan saiz industri pembinaan, jadi dimensi elemen utama ialah 1983 × 876 mm dengan 6 × 4 sel sarang lebah. 6 mm dan 2 mm tinggi.
Ujian awal telah menunjukkan bahawa terdapat perbezaan dalam kekuatan pelekat antara pelekat dan resin cetakan 3D bergantung pada sifat permukaannya. Untuk melakukan ini, spesimen ujian pembuatan bahan tambahan dilekatkan atau dilaminasi pada kaca dan tertakluk kepada ketegangan atau ricih. Semasa pemprosesan mekanikal awal permukaan polimer dengan pengilangan, kekuatan meningkat dengan ketara (Rajah 6). Di samping itu, ia meningkatkan kerataan teras dan menghalang kecacatan yang disebabkan oleh penyemperitan berlebihan. Akrilat LOCTITE® AA 3345™ [19] yang boleh dirawat UV yang digunakan di sini adalah sensitif kepada keadaan pemprosesan.
Ini selalunya menghasilkan sisihan piawai yang lebih tinggi untuk sampel ujian bon. Selepas pembuatan bahan tambahan, struktur teras digiling pada mesin pengilangan profil. Kod G yang diperlukan untuk operasi ini dijana secara automatik daripada laluan alat yang telah dibuat untuk proses pencetakan 3D. Struktur teras perlu dicetak lebih tinggi sedikit daripada ketinggian teras yang dimaksudkan. Dalam contoh ini, struktur teras setebal 18 mm telah dikurangkan kepada 14 mm.
Bahagian proses pembuatan ini merupakan cabaran utama untuk automasi penuh. Penggunaan pelekat meletakkan permintaan yang tinggi terhadap ketepatan dan ketepatan mesin. Sistem dos pneumatik digunakan untuk menggunakan pelekat di sepanjang struktur teras. Ia dipandu oleh robot di sepanjang permukaan pengilangan mengikut laluan alat yang ditetapkan. Ternyata menggantikan hujung pendispensan tradisional dengan berus adalah sangat berfaedah. Ini membolehkan pelekat kelikatan rendah dikeluarkan secara seragam mengikut isipadu. Jumlah ini ditentukan oleh tekanan dalam sistem dan kelajuan robot. Untuk ketepatan yang lebih tinggi dan kualiti ikatan yang tinggi, kelajuan perjalanan rendah 200 hingga 800 mm/min lebih diutamakan.
Akrilat dengan kelikatan purata 1500 mPa*s telah digunakan pada dinding teras polimer selebar 6 mm menggunakan berus dos dengan diameter dalam 0.84 mm dan lebar berus 5 pada tekanan yang dikenakan 0.3 hingga 0.6 mbar. mm. Pelekat kemudiannya disebarkan ke atas permukaan substrat dan membentuk lapisan setebal 1 mm kerana ketegangan permukaan. Penentuan tepat ketebalan pelekat masih belum boleh diautomasikan. Tempoh proses adalah kriteria penting untuk memilih pelekat. Struktur teras yang dihasilkan di sini mempunyai panjang trek 26 m dan oleh itu masa penggunaan 30 hingga 60 minit.
Selepas menggunakan pelekat, pasangkan tingkap kaca dwilapis di tempatnya. Disebabkan oleh ketebalan bahan yang rendah, kaca nipis sudah berubah bentuk dengan kuat oleh beratnya sendiri dan oleh itu mesti diletakkan sekata mungkin. Untuk ini, cawan sedut kaca pneumatik dengan cawan sedutan tersebar masa digunakan. Ia diletakkan pada komponen menggunakan kren, dan pada masa hadapan mungkin diletakkan terus menggunakan robot. Plat kaca diletakkan selari dengan permukaan teras pada lapisan pelekat. Oleh kerana berat yang lebih ringan, plat kaca tambahan (tebal 4 hingga 6 mm) meningkatkan tekanan padanya.
Hasilnya hendaklah membasahi permukaan kaca sepenuhnya di sepanjang struktur teras, seperti yang boleh dinilai daripada pemeriksaan visual awal perbezaan warna yang boleh dilihat. Proses permohonan juga boleh memberi kesan yang ketara ke atas kualiti sambungan terikat akhir. Setelah diikat, panel kaca tidak boleh dialihkan kerana ini akan mengakibatkan sisa pelekat yang kelihatan pada kaca dan kecacatan pada lapisan pelekat sebenar. Akhirnya, pelekat disembuhkan dengan sinaran UV pada panjang gelombang 365 nm. Untuk melakukan ini, lampu UV dengan ketumpatan kuasa 6 mW/cm2 secara beransur-ansur melepasi seluruh permukaan pelekat selama 60 s.
Konsep panel komposit kaca nipis yang ringan dan boleh disesuaikan dengan teras polimer fabrikasi tambahan yang dibincangkan di sini bertujuan untuk digunakan dalam fasad masa hadapan. Oleh itu, panel komposit mesti mematuhi piawaian yang berkenaan dan memenuhi keperluan untuk keadaan had perkhidmatan (SLS), keadaan had kekuatan muktamad (ULS) dan keperluan keselamatan. Oleh itu, panel komposit mestilah selamat, kuat dan cukup kaku untuk menahan beban (seperti beban permukaan) tanpa pecah atau ubah bentuk yang berlebihan. Untuk menyiasat tindak balas mekanikal panel komposit kaca nipis yang dibuat sebelum ini (seperti yang diterangkan dalam bahagian Ujian Mekanikal), mereka tertakluk kepada ujian beban angin seperti yang diterangkan dalam subseksyen seterusnya.
Tujuan ujian fizikal adalah untuk mengkaji sifat mekanikal panel komposit dinding luar di bawah beban angin. Untuk tujuan ini, panel komposit yang terdiri daripada helaian luar kaca terbaja penuh setebal 3 mm dan teras fabrikasi tambahan setebal 14 mm (daripada PIPG-GF20) telah direka seperti yang diterangkan di atas menggunakan pelekat Henkel Loctite AA 3345 (Rajah 7 kiri). )). . Panel komposit kemudiannya dilekatkan pada bingkai sokongan kayu dengan skru logam yang didorong melalui bingkai kayu dan ke sisi struktur utama. 30 skru diletakkan di sekeliling perimeter panel (lihat garis hitam di sebelah kiri dalam Rajah 7) untuk menghasilkan semula keadaan sokongan linear di sekeliling perimeter sedekat mungkin.
Rangka ujian kemudiannya dimeterai pada dinding ujian luar dengan menggunakan tekanan angin atau sedutan angin di belakang panel komposit (Rajah 7, kanan atas). Sistem korelasi digital (DIC) digunakan untuk merekod data. Untuk melakukan ini, kaca luar panel komposit ditutup dengan lembaran elastik nipis yang dicetak di atasnya dengan corak hingar pearline (Rajah 7, bahagian bawah kanan). DIC menggunakan dua kamera untuk merekodkan kedudukan relatif semua titik pengukuran pada keseluruhan permukaan kaca. Dua imej sesaat telah dirakam dan digunakan untuk penilaian. Tekanan dalam ruang, dikelilingi oleh panel komposit, ditingkatkan dengan menggunakan kipas dalam kenaikan 1000 Pa sehingga nilai maksimum 4000 Pa, supaya setiap tahap beban dikekalkan selama 10 saat.
Persediaan fizikal eksperimen juga diwakili oleh model berangka dengan dimensi geometri yang sama. Untuk ini, program berangka Ansys Mechanical digunakan. Struktur teras adalah jejaring geometri menggunakan unsur heksagon PEPEJAL 185 dengan sisi 20 mm untuk kaca dan unsur tetrahedral PEPEJAL 187 dengan sisi 3 mm. Untuk memudahkan pemodelan, pada peringkat kajian ini, diandaikan di sini bahawa akrilat yang digunakan adalah idealnya tegar dan nipis, dan ditakrifkan sebagai ikatan tegar antara kaca dan bahan teras.
Panel komposit dipasang dalam garis lurus di luar teras, dan panel kaca tertakluk kepada beban tekanan permukaan 4000 Pa. Walaupun ketaklinearan geometri telah diambil kira dalam pemodelan, hanya model bahan linear digunakan pada peringkat ini. belajar. Walaupun ini adalah andaian yang sah untuk tindak balas keanjalan linear kaca (E = 70,000 MPa), menurut helaian data pengeluar bahan teras polimer (viskoelastik) [17], kekukuhan linear E = 8245 MPa digunakan dalam analisis semasa perlu dipertimbangkan dengan teliti dan akan dikaji dalam penyelidikan akan datang.
Keputusan yang dibentangkan di sini dinilai terutamanya untuk ubah bentuk pada beban angin maksimum sehingga 4000 Pa (=ˆ4kN/m2). Untuk ini, imej yang direkodkan oleh kaedah DIC dibandingkan dengan keputusan simulasi berangka (FEM) (Rajah 8, bahagian bawah kanan). Walaupun jumlah terikan ideal 0 mm dengan sokongan linear "ideal" di kawasan tepi (iaitu, perimeter panel) dikira dalam FEM, anjakan fizikal kawasan tepi mesti diambil kira semasa menilai DIC. Ini disebabkan oleh toleransi pemasangan dan ubah bentuk bingkai ujian dan pengedapnya. Sebagai perbandingan, anjakan purata di kawasan pinggir (garisan putih putus-putus dalam Rajah 8) telah ditolak daripada anjakan maksimum di tengah panel. Anjakan yang ditentukan oleh DIC dan FEA dibandingkan dalam Jadual 1 dan ditunjukkan secara grafik di sudut kiri atas Rajah 8.
Empat tahap beban gunaan model eksperimen digunakan sebagai titik kawalan untuk penilaian dan dinilai dalam FEM. Anjakan pusat maksimum plat komposit dalam keadaan memunggah ditentukan oleh pengukuran DIC pada tahap beban 4000 Pa pada 2.18 mm. Walaupun anjakan FEA pada beban yang lebih rendah (sehingga 2000 Pa) masih boleh menghasilkan semula nilai eksperimen dengan tepat, peningkatan bukan linear dalam terikan pada beban yang lebih tinggi tidak dapat dikira dengan tepat.
Walau bagaimanapun, kajian telah menunjukkan bahawa panel komposit boleh menahan beban angin yang melampau. Ketegaran tinggi panel ringan menonjol khususnya. Menggunakan pengiraan analitikal berdasarkan teori linear plat Kirchhoff [20], ubah bentuk 2.18 mm pada 4000 Pa sepadan dengan ubah bentuk plat kaca tunggal setebal 12 mm di bawah keadaan sempadan yang sama. Akibatnya, ketebalan kaca (yang intensif tenaga dalam pengeluaran) dalam panel komposit ini boleh dikurangkan kepada kaca 2 x 3mm, menghasilkan penjimatan bahan sebanyak 50%. Mengurangkan berat keseluruhan panel memberikan faedah tambahan dari segi pemasangan. Walaupun panel komposit 30 kg boleh dikendalikan dengan mudah oleh dua orang, panel kaca tradisional 50 kg memerlukan sokongan teknikal untuk bergerak dengan selamat. Untuk mewakili tingkah laku mekanikal dengan tepat, model berangka yang lebih terperinci akan diperlukan dalam kajian akan datang. Analisis unsur terhingga boleh dipertingkatkan lagi dengan model bahan tak linear yang lebih meluas untuk polimer dan pemodelan ikatan pelekat.
Pembangunan dan penambahbaikan proses digital memainkan peranan penting dalam meningkatkan prestasi ekonomi dan alam sekitar dalam industri pembinaan. Di samping itu, penggunaan kaca nipis di fasad menjanjikan penjimatan tenaga dan sumber serta membuka kemungkinan baharu untuk seni bina. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh ketebalan kaca yang kecil, penyelesaian reka bentuk baharu diperlukan untuk menguatkan kaca dengan secukupnya. Oleh itu, kajian yang dibentangkan dalam artikel ini meneroka konsep panel komposit yang diperbuat daripada kaca nipis dan struktur teras polimer bercetak 3D bertetulang terikat. Keseluruhan proses pengeluaran dari reka bentuk hingga pengeluaran telah didigitalkan dan diautomasikan. Dengan bantuan Grasshopper, aliran kerja fail ke kilang telah dibangunkan untuk membolehkan penggunaan panel komposit kaca nipis dalam fasad masa hadapan.
Pengeluaran prototaip pertama menunjukkan kebolehlaksanaan dan cabaran pembuatan robotik. Walaupun pembuatan aditif dan tolak telah disepadukan dengan baik, aplikasi pelekat automatik sepenuhnya dan pemasangan khususnya memberikan cabaran tambahan untuk ditangani dalam penyelidikan masa depan. Melalui ujian mekanikal awal dan pemodelan penyelidikan elemen terhingga yang berkaitan, telah ditunjukkan bahawa panel gentian kaca yang ringan dan nipis memberikan kekukuhan lenturan yang mencukupi untuk aplikasi fasad yang dimaksudkan, walaupun dalam keadaan beban angin yang melampau. Penyelidikan berterusan pengarang akan meneroka lebih lanjut potensi panel komposit kaca nipis yang direka secara digital untuk aplikasi fasad dan menunjukkan keberkesanannya.
Penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada semua penyokong yang berkaitan dengan kerja penyelidikan ini. Terima kasih kepada program pembiayaan EFRE SAB yang dibiayai daripada dana Kesatuan Eropah dalam bentuk geran No. untuk menyediakan sumber kewangan untuk pembelian manipulator dengan penyemperit dan peranti pengilangan. 100537005. Di samping itu, AiF-ZIM telah diiktiraf kerana membiayai projek penyelidikan Glasfur3D (nombor geran ZF4123725WZ9) dengan kerjasama Glaswerkstätten Glas Ahne, yang memberikan sokongan penting untuk kerja penyelidikan ini. Akhir sekali, Makmal Friedrich Siemens dan rakan usaha samanya, terutamanya Felix Hegewald dan pembantu pelajar Jonathan Holzerr, mengiktiraf sokongan teknikal dan pelaksanaan fabrikasi dan ujian fizikal yang menjadi asas kepada kertas kerja ini.
Masa siaran: Ogos-04-2023