Bruken av tynt glass lover å oppfylle ulike oppgaver i byggebransjen. I tillegg til miljøfordelene ved mer effektiv ressursbruk, kan arkitekter bruke tynt glass for å oppnå nye grader av designfrihet. Basert på sandwich-teorien kan fleksibelt tynt glass kombineres med en 3D-trykt åpen-cellet polymerkjerne for å danne svært stiv og lett vekt
sammensatte elementer. Denne artikkelen presenterer et utforskende forsøk på digital fremstilling av tynne glasskomposittfasadeplater ved bruk av industriroboter. Den forklarer konseptet med å digitalisere arbeidsflyter fra fabrikk til fabrikk, inkludert datastøttet design (CAD), engineering (CAE) og produksjon (CAM). Studien demonstrerer en parametrisk designprosess som muliggjør sømløs integrasjon av digitale analyseverktøy.
I tillegg demonstrerer denne prosessen potensialet og utfordringene ved digital produksjon av tynne glasskomposittpaneler. Noen av produksjonstrinnene som utføres av en industrirobotarm, som additiv produksjon i storformat, overflatebearbeiding, liming og monteringsprosesser, er forklart her. Endelig er det for første gang oppnådd en dyp forståelse av de mekaniske egenskapene til komposittpaneler gjennom eksperimentelle og numeriske studier og evaluering av de mekaniske egenskapene til komposittpaneler under overflatebelastning. Det overordnede konseptet med digital design og fabrikasjonsarbeidsflyt, samt resultatene av eksperimentelle studier, gir grunnlag for videre integrering av formdefinisjon og analysemetoder, samt for å gjennomføre omfattende mekanistiske studier i fremtidige studier.
Digitale produksjonsmetoder lar oss forbedre produksjonen ved å transformere tradisjonelle metoder og gi nye designmuligheter [1]. Tradisjonelle byggemetoder har en tendens til å overbruke materialer når det gjelder kostnader, grunnleggende geometri og sikkerhet. Ved å flytte konstruksjon til fabrikker, bruke modulær prefabrikasjon og robotikk for å implementere nye designmetoder, kan materialer brukes effektivt uten at det går på bekostning av sikkerheten. Digital produksjon lar oss utvide vår designfantasi for å skape mer mangfoldige, effektive og ambisiøse geometriske former. Mens design- og beregningsprosessene i stor grad er digitalisert, foregår produksjon og montering fortsatt i stor grad for hånd på tradisjonelle måter. For å takle stadig mer komplekse friformstrukturer, blir digitale produksjonsprosesser stadig viktigere. Ønsket om frihet og designfleksibilitet, spesielt når det gjelder fasader, vokser stadig. I tillegg til den visuelle effekten lar friformede fasader deg også lage mer effektive strukturer, for eksempel gjennom bruk av membraneffekter [2]. I tillegg ligger det store potensialet til digitale produksjonsprosesser i effektiviteten og muligheten for designoptimalisering.
Denne artikkelen utforsker hvordan digital teknologi kan brukes til å designe og produsere et innovativt komposittfasadepanel som består av en additivt fremstilt polymerkjerne og limte tynne utvendige glasspaneler. I tillegg til de nye arkitektoniske mulighetene knyttet til bruk av tynt glass, har miljømessige og økonomiske kriterier også vært viktige motivasjoner for å bruke mindre materiale for å konstruere bygningsskallet. Med klimaendringer, ressursknapphet og økende energipriser i fremtiden, må glass brukes smartere. Bruk av tynt glass mindre enn 2 mm tykt fra elektronikkindustrien gjør fasaden lett og reduserer bruken av råvarer.
På grunn av den høye fleksibiliteten til tynt glass åpner det nye muligheter for arkitektoniske anvendelser og byr samtidig på nye tekniske utfordringer [3,4,5,6]. Mens dagens gjennomføring av fasadeprosjekter med tynt glass er begrenset, blir tynt glass i økende grad brukt i sivilingeniør- og arkitekturstudier. På grunn av tynt glass høye evne til elastisk deformasjon, krever bruk i fasader forsterkede strukturelle løsninger [7]. I tillegg til å utnytte membraneffekten på grunn av den buede geometrien [8], kan treghetsmomentet også økes med en flerlagsstruktur bestående av en polymerkjerne og en limt tynn glassplate. Denne tilnærmingen har vist seg lovende på grunn av bruken av en hard gjennomsiktig polykarbonatkjerne, som er mindre tett enn glass. I tillegg til den positive mekaniske handlingen ble ytterligere sikkerhetskriterier oppfylt [9].
Tilnærmingen i den følgende studien er basert på det samme konseptet, men ved hjelp av en additivt fremstilt åpen-pore gjennomskinnelig kjerne. Dette garanterer en høyere grad av geometrisk frihet og designmuligheter, samt integrering av bygningens fysiske funksjoner [10]. Slike komposittpaneler har vist seg spesielt effektive i mekanisk testing [11] og lover å redusere mengden glass som brukes med opptil 80 %. Dette vil ikke bare redusere ressursene som kreves, men også redusere vekten av panelene betydelig, og dermed øke effektiviteten til underkonstruksjonen. Men nye byggeformer krever nye produksjonsformer. Effektive strukturer krever effektive produksjonsprosesser. Digital design bidrar til digital produksjon. Denne artikkelen fortsetter forfatterens tidligere forskning ved å presentere en studie av den digitale produksjonsprosessen av tynne glasskomposittpaneler for industriroboter. Fokuset er på digitalisering av fil-til-fabrikk-arbeidsflyten til de første storformatprototypene for å øke automatiseringen av produksjonsprosessen.
Komposittpanelet (Figur 1) består av to tynne glassoverlegg viklet rundt en AM-polymerkjerne. De to delene er forbundet med lim. Hensikten med dette designet er å fordele belastningen over hele strekningen så effektivt som mulig. Bøyemomenter skaper normale påkjenninger i skallet. Sidekrefter forårsaker skjærspenninger i kjernen og limfugene.
Det ytre laget av sandwichstrukturen er laget av tynt glass. I prinsippet vil det brukes soda-kalksilikatglass. Med en måltykkelse < 2 mm, når den termiske tempereringsprosessen gjeldende teknologiske grense. Kjemisk forsterket aluminiumsilikatglass kan anses som spesielt egnet dersom det kreves høyere styrke på grunn av design (f.eks. kaldfoldede paneler) eller bruk [12]. Lystransmisjonen og miljøvernfunksjonene vil bli supplert med gode mekaniske egenskaper som god ripebestandighet og en relativt høy Youngs modul sammenlignet med andre materialer som brukes i kompositter. På grunn av den begrensede størrelsen som er tilgjengelig for kjemisk herdet tynt glass, ble paneler av fullt herdet 3 mm tykt soda-lime glass brukt til å lage den første storskala prototypen.
Bærekonstruksjonen betraktes som en formet del av komposittpanelet. Nesten alle attributter påvirkes av det. Takket være den additive produksjonsmetoden er den også sentrum for den digitale produksjonsprosessen. Termoplast bearbeides ved smelting. Dette gjør det mulig å bruke et stort antall forskjellige polymerer for spesifikke bruksområder. Topologien til hovedelementene kan utformes med forskjellig vekt avhengig av deres funksjon. For dette formålet kan formdesign deles inn i følgende fire designkategorier: strukturell design, funksjonell design, estetisk design og produksjonsdesign. Hver kategori kan ha forskjellige formål, noe som kan føre til forskjellige topologier.
Under den foreløpige studien ble noen av hoveddesignene testet for egnetheten til deres design [11]. Fra et mekanisk synspunkt er gyroskopets minste kjerneoverflate med tre perioder spesielt effektiv. Dette gir høy mekanisk motstand mot bøyning ved relativt lavt materialforbruk. I tillegg til de cellulære grunnstrukturene som er reprodusert i overflateregionene, kan topologien også genereres ved hjelp av andre formfinnende teknikker. Stresslinjegenerering er en av de mulige måtene å optimalisere stivhet ved lavest mulig vekt [13]. Imidlertid har honningkakestrukturen, mye brukt i sandwichkonstruksjoner, blitt brukt som utgangspunkt for utviklingen av produksjonslinjen. Denne grunnleggende formen fører til rask fremgang i produksjonen, spesielt gjennom enkel verktøybaneprogrammering. Dens oppførsel i komposittpaneler har blitt grundig studert [14, 15, 16] og utseendet kan endres på mange måter gjennom parameterisering og kan også brukes til innledende optimaliseringskonsepter.
Det er mange termoplastiske polymerer å vurdere når du velger en polymer, avhengig av ekstruderingsprosessen som brukes. Innledende forstudier av småskala materialer har redusert antall polymerer som anses egnet for bruk i fasader [11]. Polykarbonat (PC) er lovende på grunn av sin varmebestandighet, UV-bestandighet og høye stivhet. På grunn av de ekstra tekniske og økonomiske investeringene som kreves for å behandle polykarbonat, ble etylenglykolmodifisert polyetylentereftalat (PETG) brukt til å produsere de første prototypene. Det er spesielt enkelt å behandle ved relativt lave temperaturer med lav risiko for termisk stress og komponentdeformasjon. Prototypen som vises her er laget av resirkulert PETG kalt PIPG. Materialet ble foreløpig tørket ved 60°C i minst 4 timer og bearbeidet til granuler med et glassfiberinnhold på 20 % [17].
Limet gir en sterk binding mellom polymerkjernestrukturen og det tynne glasslokket. Når komposittplater utsettes for bøyebelastninger, utsettes limfugene for skjærspenninger. Derfor er et hardere lim å foretrekke og kan redusere nedbøyningen. Klare lim bidrar også til å gi høy visuell kvalitet når de limes til klart glass. En annen viktig faktor ved valg av lim er produksjonsevne og integrering i automatiserte produksjonsprosesser. Her kan UV-herdende lim med fleksible herdetider i stor grad forenkle plassering av dekklagene. Basert på fortester ble en serie lim testet for deres egnethet for tynne glasskomposittpaneler [18]. Loctite® AA 3345™ UV-herdbart akrylat [19] viste seg å være spesielt egnet for følgende prosess.
For å dra nytte av mulighetene for additiv produksjon og fleksibiliteten til tynt glass, ble hele prosessen designet for å fungere digitalt og parametrisk. Grasshopper brukes som et visuelt programmeringsgrensesnitt, og unngår grensesnitt mellom forskjellige programmer. Alle disipliner (ingeniørfag, ingeniørfag og produksjon) vil støtte og utfylle hverandre i én fil med direkte tilbakemelding fra operatøren. På dette stadiet av studien er arbeidsflyten fortsatt under utvikling og følger mønsteret vist i figur 2. De ulike målene kan grupperes i kategorier innenfor fagområder.
Selv om produksjonen av sandwichpaneler i denne artikkelen har blitt automatisert med brukersentrisk design og fabrikasjonsforberedelse, har integreringen og valideringen av individuelle ingeniørverktøy ikke blitt fullstendig realisert. Basert på den parametriske utformingen av fasadegeometrien er det mulig å utforme bygningens ytre skall på makronivå (fasade) og meso (fasadeplater). I det andre trinnet tar ingeniørtilbakemeldingssløyfen som mål å evaluere sikkerheten og egnetheten så vel som levedyktigheten til gardinveggfabrikasjon. Endelig er de resulterende panelene klare for digital produksjon. Programmet behandler den utviklede kjernestrukturen i maskinlesbar G-kode og forbereder den for additiv produksjon, subtraktiv etterbehandling og glassbinding.
Designprosessen vurderes på to ulike nivåer. I tillegg til at makroformen til fasadene påvirker geometrien til hvert komposittpanel, kan topologien til selve kjernen også utformes på mesonivå. Ved bruk av en parametrisk fasademodell kan formen og utseendet påvirkes av eksempelfasadesnittene ved hjelp av glidebryterne vist i figur 3. Dermed består den totale overflaten av en brukerdefinert skalerbar overflate som kan deformeres ved hjelp av punktattraktorer og modifiseres av spesifisere en minimums- og maksimumsgrad av deformasjon. Dette gir høy grad av fleksibilitet i utformingen av bygningskonvolutter. Denne frihetsgraden er imidlertid begrenset av tekniske og produksjonsbegrensninger, som deretter spilles opp av algoritmene i ingeniørdelen.
I tillegg til høyde og bredde på hele fasaden, bestemmes inndelingen av fasadeplatene. Når det gjelder individuelle fasadeplater, kan de defineres mer presist på meso-nivå. Dette påvirker topologien til selve kjernestrukturen, samt tykkelsen på glasset. Disse to variablene, samt størrelsen på panelet, har et viktig forhold til maskinteknisk modellering. Design og utvikling av hele makro- og mesonivået kan utføres med tanke på optimering i de fire kategoriene struktur, funksjon, estetikk og produktdesign. Brukere kan utvikle det overordnede utseendet og følelsen av bygningskonvolutten ved å prioritere disse områdene.
Prosjektet støttes av ingeniørdelen ved hjelp av en tilbakemeldingssløyfe. For dette formål er mål og grensebetingelser definert i optimaliseringskategorien vist i fig. 2. De gir korridorer som er teknisk gjennomførbare, fysisk forsvarlige og trygge å bygge fra et ingeniørmessig synspunkt, noe som har en betydelig innvirkning på design. Dette er utgangspunktet for ulike verktøy som kan integreres direkte i Grasshopper. I videre undersøkelser kan mekaniske egenskaper evalueres ved hjelp av Finite Element Analysis (FEM) eller til og med analytiske beregninger.
I tillegg kan solstrålingsstudier, siktlinjeanalyse og solskinnsvarighetsmodellering evaluere virkningen av komposittpaneler på bygningsfysikk. Det er viktig å ikke begrense hastigheten, effektiviteten og fleksibiliteten til designprosessen for mye. Som sådan er resultatene som er oppnådd her designet for å gi ytterligere veiledning og støtte til designprosessen og er ikke en erstatning for detaljert analyse og begrunnelse på slutten av designprosessen. Denne strategiske planen legger grunnlaget for videre kategorisk forskning for påviste resultater. For eksempel er lite kjent ennå om den mekaniske oppførselen til komposittpaneler under ulike belastnings- og støtteforhold.
Når design og prosjektering er fullført, er modellen klar for digital produksjon. Produksjonsprosessen er delt inn i fire deltrinn (fig. 4). Først ble hovedstrukturen additivt fremstilt ved bruk av et storstilt robotisk 3D-utskriftsanlegg. Overflaten freses deretter med det samme robotsystemet for å forbedre overflatekvaliteten som kreves for god liming. Etter fresing påføres limet langs kjernestrukturen ved hjelp av et spesialdesignet doseringssystem montert på det samme robotsystemet som brukes til utskrifts- og freseprosessen. Til slutt installeres og legges glasset før UV-herding av den limte fugen.
For additiv produksjon må den definerte topologien til den underliggende strukturen oversettes til CNC-maskinspråk (GCode). For ensartede resultater av høy kvalitet er målet å skrive ut hvert lag uten at ekstruderdysen faller av. Dette forhindrer uønsket overtrykk ved starten og slutten av bevegelsen. Derfor ble det skrevet et kontinuerlig banegenereringsskript for cellemønsteret som ble brukt. Dette vil skape en parametrisk kontinuerlig polylinje med samme start- og sluttpunkter, som tilpasser seg valgt panelstørrelse, antall og størrelse på honeycombs i henhold til design. I tillegg kan parametere som linjebredde og linjehøyde spesifiseres før legging av linjer for å oppnå ønsket høyde på hovedkonstruksjonen. Det neste trinnet i skriptet er å skrive G-kode-kommandoene.
Dette gjøres ved å registrere koordinatene til hvert punkt på linjen med ekstra maskininformasjon som andre relevante akser for posisjonering og ekstruderingsvolumkontroll. Den resulterende G-koden kan deretter overføres til produksjonsmaskiner. I dette eksemplet brukes en Comau NJ165 industrirobotarm på en lineær skinne for å kontrollere en CEAD E25-ekstruder i henhold til G-koden (Figur 5). Den første prototypen brukte postindustriell PETG med et glassfiberinnhold på 20 %. Når det gjelder mekanisk testing, er målstørrelsen nær størrelsen på byggebransjen, så dimensjonene til hovedelementet er 1983 × 876 mm med 6 × 4 honeycomb-celler. 6 mm og 2 mm høy.
Foreløpige tester har vist at det er en forskjell i limstyrke mellom lim og 3D-printerharpiks avhengig av overflateegenskapene. For å gjøre dette limes eller lamineres testprøver for additiv produksjon på glass og utsettes for strekk eller skjærkraft. Under foreløpig mekanisk bearbeiding av polymeroverflaten ved fresing økte styrken betydelig (fig. 6). I tillegg forbedrer den flatheten til kjernen og forhindrer defekter forårsaket av overekstrudering. Det UV-herdbare LOCTITE® AA 3345™ [19] akrylatet som brukes her, er følsomt for prosessforhold.
Dette resulterer ofte i et høyere standardavvik for bindingsprøvene. Etter additiv produksjon ble kjernestrukturen frest på en profilfresemaskin. G-koden som kreves for denne operasjonen, genereres automatisk fra verktøybaner som allerede er opprettet for 3D-utskriftsprosessen. Kjernestrukturen må trykkes litt høyere enn den tiltenkte kjernehøyden. I dette eksemplet er den 18 mm tykke kjernestrukturen redusert til 14 mm.
Denne delen av produksjonsprosessen er en stor utfordring for full automatisering. Bruk av lim stiller høye krav til nøyaktighet og presisjon av maskiner. Det pneumatiske doseringssystemet brukes til å påføre limet langs kjernestrukturen. Den styres av roboten langs freseflaten i henhold til den definerte verktøybanen. Det viser seg at det er spesielt fordelaktig å erstatte den tradisjonelle dispenseringsspissen med en børste. Dette gjør at lim med lav viskositet kan dispenseres jevnt etter volum. Denne mengden bestemmes av trykket i systemet og hastigheten til roboten. For større presisjon og høy limkvalitet, er lave kjørehastigheter på 200 til 800 mm/min foretrukket.
Akrylat med en gjennomsnittlig viskositet på 1500 mPa*s ble påført veggen av polymerkjernen 6 mm bred ved bruk av en doseringsbørste med en indre diameter på 0,84 mm og en børstebredde på 5 ved et påført trykk på 0,3 til 0,6 mbar. mm. Limet spres deretter over overflaten av underlaget og danner et 1 mm tykt lag på grunn av overflatespenningen. Den nøyaktige bestemmelsen av limtykkelsen kan ennå ikke automatiseres. Varigheten av prosessen er et viktig kriterium for valg av lim. Kjernestrukturen som produseres her har en sporlengde på 26 m og derfor en påføringstid på 30 til 60 minutter.
Etter påføring av limet, installer det doble vinduet på plass. På grunn av den lave tykkelsen på materialet er tynt glass allerede kraftig deformert av sin egen vekt og må derfor plasseres så jevnt som mulig. Til dette brukes pneumatiske sugekopper av glass med tidsspredte sugekopper. Den plasseres på komponenten ved hjelp av en kran, og kan i fremtiden plasseres direkte ved hjelp av roboter. Glassplaten ble plassert parallelt med overflaten av kjernen på klebelaget. På grunn av den lavere vekten øker en ekstra glassplate (4 til 6 mm tykk) trykket på den.
Resultatet skal være fullstendig fukting av glassoverflaten langs kjernestrukturen, som kan bedømmes fra en innledende visuell inspeksjon av synlige fargeforskjeller. Søknadsprosessen kan også ha en betydelig innvirkning på kvaliteten på den endelige limte fugen. Når de er limt, må ikke glassplatene flyttes, da dette vil resultere i synlige limrester på glasset og defekter i selve limlaget. Til slutt herdes limet med UV-stråling ved en bølgelengde på 365 nm. For å gjøre dette føres en UV-lampe med en effekttetthet på 6 mW/cm2 gradvis over hele limoverflaten i 60 s.
Konseptet med lette og tilpassbare tynne glasskomposittpaneler med additivt fremstilt polymerkjerne som er omtalt her, er ment for bruk i fremtidige fasader. Dermed må komposittpaneler overholde gjeldende standarder og oppfylle kravene til bruksgrensetilstander (SLS), grensetilstander for bruddstyrke (ULS) og sikkerhetskrav. Derfor må komposittpaneler være trygge, sterke og stive nok til å tåle belastninger (som overflatebelastninger) uten brudd eller overdreven deformasjon. For å undersøke den mekaniske responsen til tidligere fremstilte tynne glasskomposittpaneler (som beskrevet i delen Mekanisk testing), ble de utsatt for vindbelastningstester som beskrevet i neste underavsnitt.
Formålet med fysisk testing er å studere de mekaniske egenskapene til komposittpaneler av yttervegger under vindbelastning. For dette formål ble komposittpaneler bestående av et 3 mm tykt, herdet glass ytre ark og en 14 mm tykk additivt fremstilt kjerne (fra PIPG-GF20) fremstilt som beskrevet ovenfor ved bruk av Henkel Loctite AA 3345 lim (fig. 7 til venstre). )). . Komposittpanelene festes deretter til trestøtterammen med metallskruer som drives gjennom trerammen og inn i sidene av hovedkonstruksjonen. 30 skruer ble plassert rundt omkretsen av panelet (se den svarte linjen til venstre i fig. 7) for å gjengi de lineære støtteforholdene rundt omkretsen så nært som mulig.
Testrammen ble deretter forseglet til den ytre testveggen ved å påføre vindtrykk eller vindsug bak komposittpanelet (Figur 7, øverst til høyre). Et digitalt korrelasjonssystem (DIC) brukes til å registrere data. For å gjøre dette er det ytre glasset til komposittpanelet dekket med et tynt elastisk ark trykt på det med et perlelinjestøymønster (fig. 7, nederst til høyre). DIC bruker to kameraer for å registrere den relative posisjonen til alle målepunkter på hele glassflaten. To bilder per sekund ble tatt opp og brukt til evaluering. Trykket i kammeret, omgitt av komposittpaneler, økes ved hjelp av en vifte i trinn på 1000 Pa opp til en maksimal verdi på 4000 Pa, slik at hvert belastningsnivå opprettholdes i 10 sekunder.
Det fysiske oppsettet av eksperimentet er også representert ved en numerisk modell med samme geometriske dimensjoner. Til dette brukes det numeriske programmet Ansys Mechanical. Kjernestrukturen var geometrisk mesh ved bruk av SOLID 185 sekskantede elementer med 20 mm sider for glass og SOLID 187 tetraedriske elementer med 3 mm sider. For å forenkle modelleringen, på dette stadiet av studien, antas det her at akrylatet som brukes er ideelt stivt og tynt, og er definert som en stiv binding mellom glasset og kjernematerialet.
Komposittpanelene festes i en rett linje utenfor kjernen, og glasspanelet utsettes for en overflatetrykkbelastning på 4000 Pa. Selv om det ble tatt hensyn til geometriske ikke-lineariteter i modelleringen, ble det kun brukt lineære materialmodeller på dette stadiet av studere. Selv om dette er en gyldig antagelse for den lineære elastiske responsen til glass (E = 70 000 MPa), i henhold til databladet til produsenten av det (viskoelastiske) polymere kjernematerialet [17], ble den lineære stivheten E = 8245 MPa brukt i den nåværende analysen bør vurderes grundig og vil bli studert i fremtidig forskning.
Resultatene som presenteres her er evaluert hovedsakelig for deformasjoner ved maksimale vindlaster opp til 4000 Pa (=ˆ4kN/m2). For dette ble bildene tatt opp med DIC-metoden sammenlignet med resultatene av numerisk simulering (FEM) (fig. 8, nederst til høyre). Mens en ideell total tøyning på 0 mm med "ideelle" lineære støtter i kantområdet (dvs. panelomkrets) beregnes i FEM, må den fysiske forskyvningen av kantområdet tas i betraktning ved evaluering av DIC. Dette skyldes installasjonstoleranser og deformasjon av testrammen og dens tetninger. Til sammenligning ble den gjennomsnittlige forskyvningen i kantområdet (stiplet hvit linje i fig. 8) trukket fra den maksimale forskyvningen i midten av panelet. Forskyvningene bestemt av DIC og FEA er sammenlignet i tabell 1 og er vist grafisk i øvre venstre hjørne av fig. 8.
De fire påførte belastningsnivåene til den eksperimentelle modellen ble brukt som kontrollpunkter for evaluering og evaluert i FEM. Den maksimale sentrale forskyvningen av komposittplaten i ubelastet tilstand ble bestemt ved DIC-målinger ved et lastnivå på 4000 Pa ved 2,18 mm. Mens FEA-forskyvninger ved lavere belastninger (opptil 2000 Pa) fortsatt kan reprodusere eksperimentelle verdier nøyaktig, kan ikke den ikke-lineære økningen i tøyning ved høyere belastninger beregnes nøyaktig.
Studier har imidlertid vist at komposittpaneler tåler ekstrem vindbelastning. Den høye stivheten til de lette panelene skiller seg spesielt ut. Ved å bruke analytiske beregninger basert på den lineære teorien til Kirchhoff-plater [20], tilsvarer en deformasjon på 2,18 mm ved 4000 Pa deformasjonen av en enkelt glassplate 12 mm tykk under de samme grenseforholdene. Som et resultat kan tykkelsen på glasset (som er energikrevende i produksjon) i dette komposittpanelet reduseres til 2 x 3 mm glass, noe som gir en materialbesparelse på 50 %. Redusering av den totale vekten til panelet gir ytterligere fordeler når det gjelder montering. Mens et 30 kg komposittpanel lett kan håndteres av to personer, krever et tradisjonelt 50 kg glasspanel teknisk støtte for å bevege seg trygt. For å nøyaktig representere den mekaniske oppførselen, vil det være nødvendig med mer detaljerte numeriske modeller i fremtidige studier. Finite element-analyse kan forbedres ytterligere med mer omfattende ikke-lineære materialmodeller for polymerer og limbindingsmodellering.
Utvikling og forbedring av digitale prosesser spiller en nøkkelrolle for å forbedre økonomisk og miljømessig ytelse i byggebransjen. I tillegg lover bruk av tynt glass i fasader energi- og ressursbesparelser og åpner for nye muligheter for arkitektur. Men på grunn av den lille tykkelsen på glasset, kreves det nye designløsninger for å forsterke glasset tilstrekkelig. Derfor utforsker studien presentert i denne artikkelen konseptet med komposittpaneler laget av tynt glass og sammenbundne forsterkede 3D-trykte polymerkjernestrukturer. Hele produksjonsprosessen fra design til produksjon er digitalisert og automatisert. Ved hjelp av Grasshopper ble det utviklet en fil-til-fabrikk arbeidsflyt for å muliggjøre bruk av tynne glasskomposittpaneler i fremtidige fasader.
Produksjonen av den første prototypen demonstrerte gjennomførbarheten og utfordringene ved robotproduksjon. Mens additiv og subtraktiv produksjon allerede er godt integrert, byr spesielt helautomatisert limpåføring og montering på ytterligere utfordringer som må tas opp i fremtidig forskning. Gjennom foreløpig mekanisk testing og tilhørende finite element-forskningsmodellering har det blitt vist at lette og tynne glassfiberpaneler gir tilstrekkelig bøyestivhet for deres tiltenkte fasadeapplikasjoner, selv under ekstreme vindbelastningsforhold. Forfatternes pågående forskning vil videre utforske potensialet til digitalt fremstilte tynne glasskomposittpaneler for fasadeapplikasjoner og demonstrere deres effektivitet.
Forfatterne vil takke alle støttespillere knyttet til dette forskningsarbeidet. Takket være EFRE SAB-finansieringsprogram finansiert fra EU-midler i form av stipend nr. for å gi økonomiske ressurser til kjøp av en manipulator med en ekstruder og en freseanordning. 100537005. I tillegg ble AiF-ZIM anerkjent for å finansiere forskningsprosjektet Glasfur3D (stipendnummer ZF4123725WZ9) i samarbeid med Glaswerkstätten Glas Ahne, som ga betydelig støtte til dette forskningsarbeidet. Endelig erkjenner Friedrich Siemens-laboratoriet og dets samarbeidspartnere, spesielt Felix Hegewald og studentassistent Jonathan Holzerr, den tekniske støtten og implementeringen av fabrikasjonen og fysisk testing som dannet grunnlaget for denne artikkelen.
Innleggstid: Aug-04-2023