Πρωτότυπα ψηφιακά κατασκευασμένων σύνθετων πάνελ πρόσοψης από λεπτό γυαλί

Η χρήση λεπτού γυαλιού υπόσχεται να εκπληρώσει διάφορες εργασίες στον κατασκευαστικό κλάδο. Εκτός από τα περιβαλλοντικά οφέλη από την αποτελεσματικότερη χρήση των πόρων, οι αρχιτέκτονες μπορούν να χρησιμοποιήσουν λεπτό γυαλί για να επιτύχουν νέους βαθμούς ελευθερίας σχεδιασμού. Με βάση τη θεωρία του σάντουιτς, το εύκαμπτο λεπτό γυαλί μπορεί να συνδυαστεί με έναν 3D εκτυπωμένο πολυμερή πυρήνα ανοιχτής κυψέλης για να σχηματίσει πολύ άκαμπτο και ελαφρύ σύνθετα στοιχεία. Αυτό το άρθρο παρουσιάζει μια διερευνητική προσπάθεια ψηφιακής κατασκευής λεπτών πάνελ πρόσοψης από σύνθετο γυαλί χρησιμοποιώντας βιομηχανικά ρομπότ. Εξηγεί την έννοια της ψηφιοποίησης των ροών εργασίας από εργοστάσιο σε εργοστάσιο, συμπεριλαμβανομένου του σχεδιασμού με τη βοήθεια υπολογιστή (CAD), της μηχανικής (CAE) και της κατασκευής (CAM). Η μελέτη καταδεικνύει μια παραμετρική διαδικασία σχεδιασμού που επιτρέπει την απρόσκοπτη ενσωμάτωση των εργαλείων ψηφιακής ανάλυσης.
Επιπλέον, αυτή η διαδικασία καταδεικνύει τις δυνατότητες και τις προκλήσεις της ψηφιακής κατασκευής σύνθετων πάνελ από λεπτό γυαλί. Ορισμένα από τα βήματα κατασκευής που εκτελούνται από έναν βιομηχανικό βραχίονα ρομπότ, όπως η κατασκευή πρόσθετων μεγάλων διαστάσεων, η μηχανική κατεργασία επιφανειών, οι διαδικασίες κόλλησης και συναρμολόγησης, εξηγούνται εδώ. Τέλος, για πρώτη φορά, έχει επιτευχθεί μια βαθιά κατανόηση των μηχανικών ιδιοτήτων των σύνθετων πάνελ μέσω πειραματικών και αριθμητικών μελετών και αξιολόγησης των μηχανικών ιδιοτήτων των σύνθετων πάνελ υπό επιφανειακή φόρτιση. Η συνολική έννοια του ψηφιακού σχεδιασμού και της ροής εργασιών κατασκευής, καθώς και τα αποτελέσματα πειραματικών μελετών, παρέχουν τη βάση για περαιτέρω ενοποίηση των μεθόδων προσδιορισμού και ανάλυσης σχήματος, καθώς και για τη διεξαγωγή εκτεταμένων μηχανιστικών μελετών σε μελλοντικές μελέτες.
Οι ψηφιακές μέθοδοι κατασκευής μας επιτρέπουν να βελτιώσουμε την παραγωγή μεταμορφώνοντας τις παραδοσιακές μεθόδους και παρέχοντας νέες δυνατότητες σχεδιασμού [1]. Οι παραδοσιακές μέθοδοι δόμησης τείνουν να χρησιμοποιούν υπερβολικά υλικά όσον αφορά το κόστος, τη βασική γεωμετρία και την ασφάλεια. Μεταφέροντας τις κατασκευές σε εργοστάσια, χρησιμοποιώντας αρθρωτές προκατασκευές και ρομποτική για την εφαρμογή νέων μεθόδων σχεδιασμού, τα υλικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν αποτελεσματικά χωρίς συμβιβασμούς στην ασφάλεια. Η ψηφιακή κατασκευή μας επιτρέπει να επεκτείνουμε τη σχεδιαστική μας φαντασία για να δημιουργήσουμε πιο διαφορετικά, αποτελεσματικά και φιλόδοξα γεωμετρικά σχήματα. Ενώ οι διαδικασίες σχεδιασμού και υπολογισμού έχουν ψηφιοποιηθεί σε μεγάλο βαθμό, η κατασκευή και η συναρμολόγηση εξακολουθούν να γίνονται σε μεγάλο βαθμό με το χέρι με παραδοσιακούς τρόπους. Για την αντιμετώπιση ολοένα και πιο περίπλοκων δομών ελεύθερης μορφής, οι διαδικασίες ψηφιακής παραγωγής γίνονται όλο και πιο σημαντικές. Η επιθυμία για ελευθερία και ευελιξία σχεδιασμού, ειδικά όταν πρόκειται για προσόψεις, αυξάνεται σταθερά. Εκτός από το οπτικό εφέ, οι προσόψεις ελεύθερης μορφής σάς επιτρέπουν επίσης να δημιουργήσετε πιο αποτελεσματικές δομές, για παράδειγμα, μέσω της χρήσης εφέ μεμβράνης [2]. Επιπλέον, οι μεγάλες δυνατότητες των ψηφιακών διαδικασιών παραγωγής έγκεινται στην αποτελεσματικότητά τους και στη δυνατότητα βελτιστοποίησης του σχεδιασμού.
Αυτό το άρθρο διερευνά πώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί η ψηφιακή τεχνολογία για το σχεδιασμό και την κατασκευή ενός καινοτόμου σύνθετου πάνελ πρόσοψης που αποτελείται από έναν πρόσθετα κατασκευασμένο πολυμερή πυρήνα και συγκολλημένα εξωτερικά πάνελ λεπτού γυαλιού. Εκτός από τις νέες αρχιτεκτονικές δυνατότητες που σχετίζονται με τη χρήση λεπτού γυαλιού, περιβαλλοντικά και οικονομικά κριτήρια υπήρξαν επίσης σημαντικά κίνητρα για τη χρήση λιγότερου υλικού για την κατασκευή του κελύφους του κτιρίου. Με την κλιματική αλλαγή, τη σπανιότητα των πόρων και τις αυξανόμενες τιμές της ενέργειας στο μέλλον, το γυαλί πρέπει να χρησιμοποιείται πιο έξυπνα. Η χρήση λεπτού γυαλιού πάχους μικρότερου των 2 mm από τη βιομηχανία ηλεκτρονικών ειδών κάνει την πρόσοψη ελαφριά και μειώνει τη χρήση πρώτων υλών.
Λόγω της υψηλής ευελιξίας του λεπτού γυαλιού, ανοίγει νέες δυνατότητες για αρχιτεκτονικές εφαρμογές και ταυτόχρονα θέτει νέες προκλήσεις μηχανικής [3,4,5,6]. Ενώ η τρέχουσα υλοποίηση έργων προσόψεων που χρησιμοποιούν λεπτό γυαλί είναι περιορισμένη, το λεπτό γυαλί χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο σε μελέτες πολιτικού μηχανικού και αρχιτεκτονικές μελέτες. Λόγω της υψηλής ικανότητας του λεπτού γυαλιού σε ελαστική παραμόρφωση, η χρήση του σε προσόψεις απαιτεί ενισχυμένες δομικές λύσεις [7]. Εκτός από την εκμετάλλευση του φαινομένου της μεμβράνης λόγω της καμπύλης γεωμετρίας [8], η ροπή αδράνειας μπορεί επίσης να αυξηθεί με μια πολυστρωματική δομή που αποτελείται από έναν πολυμερή πυρήνα και ένα κολλημένο λεπτό γυάλινο εξωτερικό φύλλο. Αυτή η προσέγγιση έχει αποδειχθεί πολλά υποσχόμενη λόγω της χρήσης ενός σκληρού διαφανούς πολυανθρακικού πυρήνα, ο οποίος είναι λιγότερο πυκνός από το γυαλί. Εκτός από τη θετική μηχανική δράση, πληρούνταν πρόσθετα κριτήρια ασφαλείας [9].
Η προσέγγιση στην ακόλουθη μελέτη βασίζεται στην ίδια ιδέα, αλλά χρησιμοποιώντας έναν πρόσθετα κατασκευασμένο ημιδιαφανή πυρήνα ανοιχτών πόρων. Αυτό εγγυάται υψηλότερο βαθμό γεωμετρικής ελευθερίας και δυνατότητες σχεδιασμού, καθώς και την ενοποίηση των φυσικών λειτουργιών του κτιρίου [10]. Τέτοια σύνθετα πάνελ έχουν αποδειχθεί ιδιαίτερα αποτελεσματικά στις μηχανικές δοκιμές [11] και υπόσχονται να μειώσουν την ποσότητα γυαλιού που χρησιμοποιείται έως και 80%. Αυτό όχι μόνο θα μειώσει τους απαιτούμενους πόρους, αλλά θα μειώσει επίσης σημαντικά το βάρος των πάνελ, αυξάνοντας έτσι την απόδοση της υποδομής. Αλλά οι νέες μορφές κατασκευής απαιτούν νέες μορφές παραγωγής. Οι αποτελεσματικές δομές απαιτούν αποτελεσματικές διαδικασίες παραγωγής. Ο ψηφιακός σχεδιασμός συμβάλλει στην ψηφιακή κατασκευή. Αυτό το άρθρο συνεχίζει την προηγούμενη έρευνα του συγγραφέα παρουσιάζοντας μια μελέτη της ψηφιακής διαδικασίας κατασκευής σύνθετων πάνελ λεπτού γυαλιού για βιομηχανικά ρομπότ. Η εστίαση είναι στην ψηφιοποίηση της ροής εργασιών από αρχείο σε εργοστάσιο των πρώτων πρωτοτύπων μεγάλου σχήματος για την αύξηση της αυτοματοποίησης της διαδικασίας κατασκευής.
Το σύνθετο πάνελ (Εικόνα 1) αποτελείται από δύο λεπτές γυάλινες επικαλύψεις τυλιγμένες γύρω από έναν πυρήνα πολυμερούς ΑΜ. Τα δύο μέρη συνδέονται με κόλλα. Ο σκοπός αυτού του σχεδιασμού είναι να κατανεμηθεί το φορτίο σε ολόκληρο το τμήμα όσο το δυνατόν αποτελεσματικότερα. Οι ροπές κάμψης δημιουργούν κανονικές τάσεις στο κέλυφος. Οι πλευρικές δυνάμεις προκαλούν διατμητικές τάσεις στον πυρήνα και τις συγκολλητικές αρθρώσεις.
Το εξωτερικό στρώμα της δομής σάντουιτς είναι κατασκευασμένο από λεπτό γυαλί. Καταρχήν, θα χρησιμοποιηθεί πυριτικό γυαλί νατράσβεστου. Με πάχος στόχος < 2 mm, η διαδικασία θερμικής σκλήρυνσης φτάνει στο τρέχον τεχνολογικό όριο. Το χημικά ενισχυμένο αλουμινοπυριτικό γυαλί μπορεί να θεωρηθεί ιδιαίτερα κατάλληλο εάν απαιτείται υψηλότερη αντοχή λόγω σχεδιασμού (π.χ. διπλωμένα ψυχρά πάνελ) ή χρήσης [12]. Οι λειτουργίες μετάδοσης φωτός και προστασίας του περιβάλλοντος θα συμπληρωθούν από καλές μηχανικές ιδιότητες, όπως καλή αντοχή στις γρατσουνιές και σχετικά υψηλό συντελεστή Young σε σύγκριση με άλλα υλικά που χρησιμοποιούνται σε σύνθετα υλικά. Λόγω του περιορισμένου μεγέθους που διατίθεται για το χημικά σκληρυμένο λεπτό γυαλί, χρησιμοποιήθηκαν πλαίσια από πλήρως σκληρυμένο γυαλί πάχους 3 mm για τη δημιουργία του πρώτου πρωτοτύπου μεγάλης κλίμακας.
Η δομή στήριξης θεωρείται ως διαμορφωμένο τμήμα του σύνθετου πίνακα. Σχεδόν όλες οι ιδιότητες επηρεάζονται από αυτό. Χάρη στη μέθοδο παραγωγής πρόσθετων, είναι επίσης το κέντρο της ψηφιακής διαδικασίας παραγωγής. Τα θερμοπλαστικά επεξεργάζονται με σύντηξη. Αυτό καθιστά δυνατή τη χρήση μεγάλου αριθμού διαφορετικών πολυμερών για συγκεκριμένες εφαρμογές. Η τοπολογία των κύριων στοιχείων μπορεί να σχεδιαστεί με διαφορετική έμφαση ανάλογα με τη λειτουργία τους. Για το σκοπό αυτό, ο σχεδιασμός σχήματος μπορεί να χωριστεί στις ακόλουθες τέσσερις κατηγορίες σχεδιασμού: δομικός σχεδιασμός, λειτουργικός σχεδιασμός, αισθητικός σχεδιασμός και σχεδιασμός παραγωγής. Κάθε κατηγορία μπορεί να έχει διαφορετικούς σκοπούς, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει σε διαφορετικές τοπολογίες.
Κατά τη διάρκεια της προκαταρκτικής μελέτης, μερικά από τα κύρια σχέδια δοκιμάστηκαν για την καταλληλότητα του σχεδιασμού τους [11]. Από μηχανική άποψη, η ελάχιστη επιφάνεια τριών περιόδων πυρήνα του γυροσκόπιου είναι ιδιαίτερα αποτελεσματική. Αυτό παρέχει υψηλή μηχανική αντοχή στην κάμψη με σχετικά χαμηλή κατανάλωση υλικού. Εκτός από τις κυτταρικές βασικές δομές που αναπαράγονται στις επιφανειακές περιοχές, η τοπολογία μπορεί επίσης να δημιουργηθεί με άλλες τεχνικές εύρεσης σχήματος. Η δημιουργία γραμμής τάσης είναι ένας από τους πιθανούς τρόπους βελτιστοποίησης της ακαμψίας στο χαμηλότερο δυνατό βάρος [13]. Ωστόσο, η δομή της κηρήθρας, που χρησιμοποιείται ευρέως σε κατασκευές σάντουιτς, έχει χρησιμοποιηθεί ως αφετηρία για την ανάπτυξη της γραμμής παραγωγής. Αυτή η βασική μορφή οδηγεί σε ταχεία πρόοδο στην παραγωγή, ειδικά μέσω του εύκολου προγραμματισμού διαδρομής εργαλείων. Η συμπεριφορά του σε σύνθετα πάνελ έχει μελετηθεί εκτενώς [14, 15, 16] και η εμφάνιση μπορεί να αλλάξει με πολλούς τρόπους μέσω της παραμετροποίησης και μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για αρχικές έννοιες βελτιστοποίησης.
Υπάρχουν πολλά θερμοπλαστικά πολυμερή που πρέπει να ληφθούν υπόψη κατά την επιλογή ενός πολυμερούς, ανάλογα με τη διαδικασία εξώθησης που χρησιμοποιείται. Οι αρχικές προκαταρκτικές μελέτες υλικών μικρής κλίμακας έχουν μειώσει τον αριθμό των πολυμερών που θεωρούνται κατάλληλα για χρήση σε προσόψεις [11]. Το πολυανθρακικό (PC) είναι πολλά υποσχόμενο λόγω της αντοχής στη θερμότητα, της αντοχής στην υπεριώδη ακτινοβολία και της υψηλής ακαμψίας του. Λόγω της πρόσθετης τεχνικής και οικονομικής επένδυσης που απαιτείται για την επεξεργασία πολυανθρακικού, χρησιμοποιήθηκε τερεφθαλικό πολυαιθυλένιο τροποποιημένο με αιθυλενογλυκόλη (PETG) για την παραγωγή των πρώτων πρωτοτύπων. Είναι ιδιαίτερα εύκολη η επεξεργασία του σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες με χαμηλό κίνδυνο θερμικής καταπόνησης και παραμόρφωσης εξαρτημάτων. Το πρωτότυπο που παρουσιάζεται εδώ είναι κατασκευασμένο από ανακυκλωμένο PETG που ονομάζεται PIPG. Το υλικό ξηράνθηκε προκαταρκτικά στους 60°C για τουλάχιστον 4 ώρες και υποβλήθηκε σε επεξεργασία σε κόκκους με περιεκτικότητα σε ίνες γυαλιού 20% [17].
Η κόλλα παρέχει έναν ισχυρό δεσμό μεταξύ της δομής του πυρήνα του πολυμερούς και του λεπτού γυάλινου καπακιού. Όταν τα σύνθετα πάνελ υπόκεινται σε φορτία κάμψης, οι συγκολλητικές ενώσεις υπόκεινται σε διατμητική τάση. Επομένως, προτιμάται μια πιο σκληρή κόλλα και μπορεί να μειώσει την παραμόρφωση. Οι διαφανείς κόλλες βοηθούν επίσης στην παροχή υψηλής οπτικής ποιότητας όταν συνδέονται με διαφανές γυαλί. Ένας άλλος σημαντικός παράγοντας κατά την επιλογή μιας κόλλας είναι η δυνατότητα κατασκευής και η ενσωμάτωση σε αυτοματοποιημένες διαδικασίες παραγωγής. Εδώ οι κόλλες ωρίμανσης με υπεριώδη ακτινοβολία με εύκαμπτους χρόνους σκλήρυνσης μπορούν να απλοποιήσουν σημαντικά την τοποθέτηση των στρωμάτων κάλυψης. Με βάση προκαταρκτικές δοκιμές, μια σειρά από συγκολλητικά δοκιμάστηκαν για την καταλληλότητά τους για σύνθετα πάνελ λεπτού γυαλιού [18]. Το Loctite® AA 3345™ UV σκληρυνόμενο ακρυλικό [19] αποδείχθηκε ιδιαίτερα κατάλληλο για την ακόλουθη διαδικασία.
Για να εκμεταλλευτούμε τις δυνατότητες κατασκευής πρόσθετων και την ευελιξία του λεπτού γυαλιού, η όλη διαδικασία σχεδιάστηκε για να λειτουργεί ψηφιακά και παραμετρικά. Το Grasshopper χρησιμοποιείται ως οπτική διεπαφή προγραμματισμού, αποφεύγοντας τις διεπαφές μεταξύ διαφορετικών προγραμμάτων. Όλοι οι κλάδοι (μηχανική, μηχανική και κατασκευή) θα υποστηρίζουν και θα αλληλοσυμπληρώνονται σε ένα αρχείο με άμεση ανατροφοδότηση από τον χειριστή. Σε αυτό το στάδιο της μελέτης, η ροή εργασίας είναι ακόμη υπό ανάπτυξη και ακολουθεί το πρότυπο που φαίνεται στο Σχήμα 2. Οι διαφορετικοί στόχοι μπορούν να ομαδοποιηθούν σε κατηγορίες εντός των κλάδων.
Αν και η παραγωγή πάνελ σάντουιτς σε αυτό το έγγραφο έχει αυτοματοποιηθεί με σχεδιασμό και προετοιμασία κατασκευής με επίκεντρο τον χρήστη, η ενσωμάτωση και η επικύρωση μεμονωμένων εργαλείων μηχανικής δεν έχει πραγματοποιηθεί πλήρως. Με βάση τον παραμετρικό σχεδιασμό της γεωμετρίας της πρόσοψης, είναι δυνατός ο σχεδιασμός του εξωτερικού κελύφους του κτιρίου σε μακρο επίπεδο (πρόσοψη) και μεσο (πάνελ πρόσοψης). Στο δεύτερο βήμα, ο βρόχος ανατροφοδότησης μηχανικής στοχεύει στην αξιολόγηση της ασφάλειας και της καταλληλότητας καθώς και της βιωσιμότητας της κατασκευής τοίχου κουρτινών. Τέλος, τα πάνελ που προκύπτουν είναι έτοιμα για ψηφιακή παραγωγή. Το πρόγραμμα επεξεργάζεται την αναπτυγμένη δομή του πυρήνα σε αναγνώσιμο από μηχανή κώδικα G και τον προετοιμάζει για την κατασκευή προσθέτων, την αφαιρετική μετα-επεξεργασία και τη συγκόλληση γυαλιού.
Η διαδικασία σχεδιασμού εξετάζεται σε δύο διαφορετικά επίπεδα. Εκτός από το γεγονός ότι το macro σχήμα των προσόψεων επηρεάζει τη γεωμετρία κάθε σύνθετου πάνελ, η τοπολογία του ίδιου του πυρήνα μπορεί επίσης να σχεδιαστεί σε μεσο επίπεδο. Όταν χρησιμοποιείται ένα παραμετρικό μοντέλο πρόσοψης, το σχήμα και η εμφάνιση μπορούν να επηρεαστούν από τα παραδείγματα τμημάτων πρόσοψης χρησιμοποιώντας τους ολισθητήρες που φαίνονται στο Σχήμα 3. Έτσι, η συνολική επιφάνεια αποτελείται από μια κλιμακωτή επιφάνεια που ορίζεται από το χρήστη που μπορεί να παραμορφωθεί χρησιμοποιώντας σημειακούς ελκυστήρες και να τροποποιηθεί με προσδιορίζοντας τον ελάχιστο και τον μέγιστο βαθμό παραμόρφωσης. Αυτό παρέχει υψηλό βαθμό ευελιξίας στο σχεδιασμό των περιβλημάτων κτιρίων. Ωστόσο, αυτός ο βαθμός ελευθερίας περιορίζεται από τεχνικούς και κατασκευαστικούς περιορισμούς, οι οποίοι στη συνέχεια αναπαράγονται από τους αλγόριθμους στο τμήμα της μηχανικής.
Εκτός από το ύψος και το πλάτος ολόκληρης της πρόσοψης, καθορίζεται η διαίρεση των πάνελ πρόσοψης. Όσον αφορά τα μεμονωμένα πάνελ πρόσοψης, μπορούν να οριστούν με μεγαλύτερη ακρίβεια στο μεσο επίπεδο. Αυτό επηρεάζει την τοπολογία της ίδιας της δομής του πυρήνα, καθώς και το πάχος του γυαλιού. Αυτές οι δύο μεταβλητές, καθώς και το μέγεθος του πίνακα, έχουν σημαντική σχέση με τη μοντελοποίηση μηχανολογίας. Ο σχεδιασμός και η ανάπτυξη ολόκληρου του macro και meso επιπέδου μπορεί να πραγματοποιηθεί με όρους βελτιστοποίησης στις τέσσερις κατηγορίες δομής, λειτουργίας, αισθητικής και σχεδίασης προϊόντος. Οι χρήστες μπορούν να αναπτύξουν τη συνολική εμφάνιση και αίσθηση του κελύφους του κτιρίου δίνοντας προτεραιότητα σε αυτές τις περιοχές.
Το έργο υποστηρίζεται από το τμήμα μηχανικής με χρήση βρόχου ανάδρασης. Για το σκοπό αυτό, οι στόχοι και οι οριακές συνθήκες ορίζονται στην κατηγορία βελτιστοποίησης που φαίνεται στο Σχ. 2. Παρέχουν διαδρόμους που είναι τεχνικά εφικτές, φυσικά υγιείς και ασφαλείς στην κατασκευή από μηχανολογική άποψη, γεγονός που έχει σημαντικό αντίκτυπο στο σχεδιασμό. Αυτό είναι το σημείο εκκίνησης για διάφορα εργαλεία που μπορούν να ενσωματωθούν απευθείας στο Grasshopper. Σε περαιτέρω έρευνες, οι μηχανικές ιδιότητες μπορούν να αξιολογηθούν χρησιμοποιώντας την ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων (FEM) ή ακόμη και με αναλυτικούς υπολογισμούς.
Επιπλέον, οι μελέτες ηλιακής ακτινοβολίας, η ανάλυση οπτικής επαφής και η μοντελοποίηση διάρκειας ηλιοφάνειας μπορούν να αξιολογήσουν τον αντίκτυπο των σύνθετων πάνελ στη φυσική των κτιρίων. Είναι σημαντικό να μην περιορίζετε υπερβολικά την ταχύτητα, την αποτελεσματικότητα και την ευελιξία της διαδικασίας σχεδιασμού. Ως εκ τούτου, τα αποτελέσματα που λαμβάνονται εδώ έχουν σχεδιαστεί για να παρέχουν πρόσθετη καθοδήγηση και υποστήριξη στη διαδικασία σχεδιασμού και δεν υποκαθιστούν λεπτομερή ανάλυση και αιτιολόγηση στο τέλος της διαδικασίας σχεδιασμού. Αυτό το στρατηγικό σχέδιο θέτει τα θεμέλια για περαιτέρω κατηγορική έρευνα για αποδεδειγμένα αποτελέσματα. Για παράδειγμα, λίγα είναι ακόμη γνωστά για τη μηχανική συμπεριφορά των σύνθετων πάνελ υπό διάφορες συνθήκες φορτίου και στήριξης.
Μόλις ολοκληρωθεί ο σχεδιασμός και η μηχανική, το μοντέλο είναι έτοιμο για ψηφιακή παραγωγή. Η διαδικασία παραγωγής χωρίζεται σε τέσσερα υποστάδια (Εικ. 4). Πρώτον, η κύρια δομή κατασκευάστηκε πρόσθετα χρησιμοποιώντας μια μεγάλης κλίμακας ρομποτική εγκατάσταση τρισδιάστατης εκτύπωσης. Η επιφάνεια στη συνέχεια αλέθεται χρησιμοποιώντας το ίδιο ρομποτικό σύστημα για να βελτιωθεί η ποιότητα της επιφάνειας που απαιτείται για καλή συγκόλληση. Μετά το φρεζάρισμα, η κόλλα εφαρμόζεται κατά μήκος της δομής του πυρήνα χρησιμοποιώντας ένα ειδικά σχεδιασμένο σύστημα δοσομέτρησης τοποθετημένο στο ίδιο ρομποτικό σύστημα που χρησιμοποιείται για τη διαδικασία εκτύπωσης και φρεζαρίσματος. Τέλος, το γυαλί τοποθετείται και τοποθετείται πριν από τη σκλήρυνση με υπεριώδη ακτινοβολία του συγκολλημένου συνδέσμου.
Για την κατασκευή πρόσθετων, η καθορισμένη τοπολογία της υποκείμενης δομής πρέπει να μεταφραστεί στη γλώσσα μηχανής CNC (GCode). Για ομοιόμορφα και υψηλής ποιότητας αποτελέσματα, ο στόχος είναι να εκτυπώσετε κάθε στρώμα χωρίς να πέσει το ακροφύσιο του εξωθητήρα. Αυτό αποτρέπει την ανεπιθύμητη υπερπίεση στην αρχή και στο τέλος της κίνησης. Επομένως, γράφτηκε ένα σενάριο δημιουργίας συνεχούς τροχιάς για το μοτίβο κελιών που χρησιμοποιήθηκε. Αυτό θα δημιουργήσει μια παραμετρική συνεχή πολυγραμμή με τα ίδια σημεία έναρξης και λήξης, η οποία προσαρμόζεται στο επιλεγμένο μέγεθος πίνακα, τον αριθμό και το μέγεθος των κηρηθρών σύμφωνα με το σχέδιο. Επιπλέον, μπορούν να καθοριστούν παράμετροι όπως το πλάτος γραμμής και το ύψος γραμμής πριν από την τοποθέτηση γραμμών για να επιτευχθεί το επιθυμητό ύψος της κύριας κατασκευής. Το επόμενο βήμα στο σενάριο είναι να γράψετε τις εντολές G-code.
Αυτό γίνεται καταγράφοντας τις συντεταγμένες κάθε σημείου στη γραμμή με πρόσθετες πληροφορίες μηχανής όπως άλλους σχετικούς άξονες για τον έλεγχο θέσης και όγκου εξώθησης. Ο κωδικός G που προκύπτει μπορεί στη συνέχεια να μεταφερθεί σε μηχανές παραγωγής. Σε αυτό το παράδειγμα, ένας βιομηχανικός βραχίονας ρομπότ Comau NJ165 σε μια γραμμική ράγα χρησιμοποιείται για τον έλεγχο ενός εξωθητήρα CEAD E25 σύμφωνα με τον G-code (Εικόνα 5). Το πρώτο πρωτότυπο χρησιμοποιούσε μεταβιομηχανικό PETG με περιεκτικότητα σε ίνες γυαλιού 20%. Όσον αφορά τις μηχανικές δοκιμές, το μέγεθος στόχου είναι κοντά στο μέγεθος της κατασκευαστικής βιομηχανίας, επομένως οι διαστάσεις του κύριου στοιχείου είναι 1983 × 876 mm με 6 × 4 κυψελοειδή κυψέλες. 6 mm και 2 mm ύψος.
Οι προκαταρκτικές δοκιμές έχουν δείξει ότι υπάρχει διαφορά στην αντοχή της κόλλας μεταξύ της ρητίνης κόλλας και της ρητίνης τρισδιάστατης εκτύπωσης ανάλογα με τις ιδιότητες της επιφάνειας της. Για να γίνει αυτό, τα δείγματα δοκιμής κατασκευής πρόσθετων κολλώνται ή πλαστικοποιούνται σε γυαλί και υποβάλλονται σε τάση ή διάτμηση. Κατά την προκαταρκτική μηχανική επεξεργασία της επιφάνειας του πολυμερούς με φρεζάρισμα, η αντοχή αυξήθηκε σημαντικά (Εικ. 6). Επιπλέον, βελτιώνει την επιπεδότητα του πυρήνα και αποτρέπει ελαττώματα που προκαλούνται από υπερβολική εξώθηση. Το σκληρυνόμενο με υπεριώδη ακτινοβολία ακρυλικό LOCTITE® AA 3345™ [19] που χρησιμοποιείται εδώ είναι ευαίσθητο στις συνθήκες επεξεργασίας.
Αυτό συχνά οδηγεί σε υψηλότερη τυπική απόκλιση για τα δείγματα δοκιμής δεσμού. Μετά την κατασκευή προσθέτων, η δομή του πυρήνα αλέστηκε σε μια μηχανή φρεζαρίσματος προφίλ. Ο κωδικός G που απαιτείται για αυτήν τη λειτουργία δημιουργείται αυτόματα από διαδρομές εργαλείων που έχουν ήδη δημιουργηθεί για τη διαδικασία εκτύπωσης 3D. Η δομή του πυρήνα πρέπει να εκτυπωθεί ελαφρώς υψηλότερα από το προβλεπόμενο ύψος πυρήνα. Σε αυτό το παράδειγμα, η δομή του πυρήνα πάχους 18 mm έχει μειωθεί στα 14 mm.
Αυτό το μέρος της διαδικασίας παραγωγής είναι μια μεγάλη πρόκληση για την πλήρη αυτοματοποίηση. Η χρήση κόλλων θέτει υψηλές απαιτήσεις για την ακρίβεια και την ακρίβεια των μηχανών. Το πνευματικό σύστημα δοσολογίας χρησιμοποιείται για την εφαρμογή της κόλλας κατά μήκος της δομής του πυρήνα. Οδηγείται από το ρομπότ κατά μήκος της επιφάνειας φρεζαρίσματος σύμφωνα με την καθορισμένη διαδρομή εργαλείου. Αποδεικνύεται ότι η αντικατάσταση της παραδοσιακής άκρης διανομής με μια βούρτσα είναι ιδιαίτερα συμφέρουσα. Αυτό επιτρέπει στις κόλλες χαμηλού ιξώδους να διανέμονται ομοιόμορφα κατ' όγκο. Αυτή η ποσότητα καθορίζεται από την πίεση στο σύστημα και την ταχύτητα του ρομπότ. Για μεγαλύτερη ακρίβεια και υψηλή ποιότητα συγκόλλησης, προτιμώνται χαμηλές ταχύτητες διαδρομής 200 έως 800 mm/min.
Ακρυλικό με μέσο ιξώδες 1500 mPa*s εφαρμόστηκε στο τοίχωμα του πυρήνα πολυμερούς πλάτους 6 mm χρησιμοποιώντας μια δοσομετρική βούρτσα με εσωτερική διάμετρο 0,84 mm και πλάτος βούρτσας 5 σε ασκούμενη πίεση 0,3 έως 0,6 mbar. mm. Στη συνέχεια, η κόλλα απλώνεται στην επιφάνεια του υποστρώματος και σχηματίζει ένα στρώμα πάχους 1 mm λόγω επιφανειακής τάσης. Ο ακριβής προσδιορισμός του πάχους της κόλλας δεν μπορεί ακόμη να αυτοματοποιηθεί. Η διάρκεια της διαδικασίας είναι ένα σημαντικό κριτήριο για την επιλογή μιας κόλλας. Η δομή του πυρήνα που παράγεται εδώ έχει μήκος τροχιάς 26 m και συνεπώς χρόνο εφαρμογής 30 έως 60 λεπτά.
Μετά την εφαρμογή της κόλλας, τοποθετήστε το παράθυρο με διπλά τζάμια στη θέση του. Λόγω του χαμηλού πάχους του υλικού, το λεπτό γυαλί έχει ήδη παραμορφωθεί έντονα από το βάρος του και επομένως πρέπει να τοποθετηθεί όσο το δυνατόν πιο ομοιόμορφα. Για αυτό χρησιμοποιούνται πνευματικές γυάλινες βεντούζες με βεντούζες με διασπορά χρόνου. Τοποθετείται στο εξάρτημα χρησιμοποιώντας γερανό και στο μέλλον μπορεί να τοποθετηθεί απευθείας χρησιμοποιώντας ρομπότ. Η γυάλινη πλάκα τοποθετήθηκε παράλληλα με την επιφάνεια του πυρήνα στο συγκολλητικό στρώμα. Λόγω του ελαφρύτερου βάρους, μια πρόσθετη γυάλινη πλάκα (πάχους 4 έως 6 mm) αυξάνει την πίεση πάνω της.
Το αποτέλεσμα θα πρέπει να είναι η πλήρης διαβροχή της γυάλινης επιφάνειας κατά μήκος της δομής του πυρήνα, όπως μπορεί να κριθεί από μια αρχική οπτική επιθεώρηση των ορατών χρωματικών διαφορών. Η διαδικασία εφαρμογής μπορεί επίσης να έχει σημαντικό αντίκτυπο στην ποιότητα του τελικού συγκολλημένου αρμού. Μετά τη συγκόλληση, τα γυάλινα πάνελ δεν πρέπει να μετακινούνται καθώς αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα ορατά υπολείμματα κόλλας στο γυαλί και ελαττώματα στο πραγματικό στρώμα κόλλας. Τέλος, η κόλλα σκληραίνει με ακτινοβολία UV σε μήκος κύματος 365 nm. Για να γίνει αυτό, μια λάμπα UV με πυκνότητα ισχύος 6 mW/cm2 περνά σταδιακά σε ολόκληρη την επιφάνεια της κόλλας για 60 δευτερόλεπτα.
Η ιδέα των ελαφριών και προσαρμόσιμων σύνθετων πάνελ λεπτού γυαλιού με πυρήνα πολυμερούς κατασκευασμένο με πρόσθετα που συζητείται εδώ προορίζεται για χρήση σε μελλοντικές προσόψεις. Έτσι, τα σύνθετα πάνελ πρέπει να συμμορφώνονται με τα ισχύοντα πρότυπα και να πληρούν τις απαιτήσεις για τις οριακές καταστάσεις λειτουργίας (SLS), τις τελικές οριακές καταστάσεις αντοχής (ULS) και τις απαιτήσεις ασφαλείας. Επομένως, τα σύνθετα πάνελ πρέπει να είναι ασφαλή, ισχυρά και αρκετά άκαμπτα ώστε να αντέχουν φορτία (όπως επιφανειακά φορτία) χωρίς θραύση ή υπερβολική παραμόρφωση. Για τη διερεύνηση της μηχανικής απόκρισης προηγουμένως κατασκευασμένων σύνθετων πάνελ λεπτού γυαλιού (όπως περιγράφεται στην ενότητα Μηχανικές Δοκιμές), υποβλήθηκαν σε δοκιμές φορτίου ανέμου όπως περιγράφεται στην επόμενη υποενότητα.
Σκοπός της φυσικής δοκιμής είναι η μελέτη των μηχανικών ιδιοτήτων των σύνθετων πλαισίων εξωτερικών τοίχων υπό φορτία ανέμου. Για το σκοπό αυτό, κατασκευάστηκαν σύνθετα πάνελ αποτελούμενα από ένα εξωτερικό φύλλο πλήρους σκληρυμένου γυαλιού πάχους 3 mm και έναν πυρήνα κατασκευασμένο με πρόσθετο πάχους 14 mm (από PIPG-GF20) όπως περιγράφεται παραπάνω χρησιμοποιώντας κόλλα Henkel Loctite AA 3345 (Εικ. 7 αριστερά). )). . Στη συνέχεια, τα σύνθετα πάνελ προσαρτώνται στο ξύλινο πλαίσιο στήριξης με μεταλλικές βίδες που οδηγούνται μέσω του ξύλινου πλαισίου και στις πλευρές της κύριας κατασκευής. Τοποθετήθηκαν 30 βίδες γύρω από την περίμετρο του πίνακα (δείτε τη μαύρη γραμμή στα αριστερά στο Σχ. 7) για να αναπαραχθούν οι γραμμικές συνθήκες στήριξης γύρω από την περίμετρο όσο το δυνατόν πιο κοντά.
Το πλαίσιο δοκιμής σφραγίστηκε στη συνέχεια στον εξωτερικό τοίχο δοκιμής εφαρμόζοντας πίεση αέρα ή αναρρόφηση αέρα πίσω από το σύνθετο πάνελ (Εικόνα 7, επάνω δεξιά). Ένα ψηφιακό σύστημα συσχέτισης (DIC) χρησιμοποιείται για την καταγραφή δεδομένων. Για να γίνει αυτό, το εξωτερικό γυαλί του σύνθετου πάνελ καλύπτεται με ένα λεπτό ελαστικό φύλλο τυπωμένο πάνω του με μοτίβο θορύβου μαργαριταριού (Εικ. 7, κάτω δεξιά). Το DIC χρησιμοποιεί δύο κάμερες για να καταγράψει τη σχετική θέση όλων των σημείων μέτρησης σε ολόκληρη την επιφάνεια του γυαλιού. Καταγράφηκαν δύο εικόνες ανά δευτερόλεπτο και χρησιμοποιήθηκαν για αξιολόγηση. Η πίεση στον θάλαμο, που περιβάλλεται από σύνθετα πάνελ, αυξάνεται μέσω ενός ανεμιστήρα σε βήματα των 1000 Pa έως τη μέγιστη τιμή των 4000 Pa, έτσι ώστε κάθε επίπεδο φορτίου να διατηρείται για 10 δευτερόλεπτα.
Η φυσική διάταξη του πειράματος αντιπροσωπεύεται επίσης από ένα αριθμητικό μοντέλο με τις ίδιες γεωμετρικές διαστάσεις. Για αυτό, χρησιμοποιείται το αριθμητικό πρόγραμμα Ansys Mechanical. Η δομή του πυρήνα ήταν γεωμετρικό πλέγμα χρησιμοποιώντας εξαγωνικά στοιχεία SOLID 185 με πλευρές 20 mm για γυαλί και SOLID 187 τετραεδρικά στοιχεία με πλευρές 3 mm. Για να απλοποιηθεί η μοντελοποίηση, σε αυτό το στάδιο της μελέτης, υποτίθεται εδώ ότι το ακρυλικό που χρησιμοποιείται είναι ιδανικά άκαμπτο και λεπτό, και ορίζεται ως ένας άκαμπτος δεσμός μεταξύ του γυαλιού και του υλικού του πυρήνα.
Τα σύνθετα πάνελ στερεώνονται σε ευθεία γραμμή έξω από τον πυρήνα και το γυάλινο πάνελ υπόκειται σε επιφανειακή πίεση 4000 Pa. Αν και λήφθηκαν υπόψη γεωμετρικές μη γραμμικότητες στη μοντελοποίηση, χρησιμοποιήθηκαν μόνο γραμμικά μοντέλα υλικού σε αυτό το στάδιο της μελέτη. Αν και αυτή είναι μια έγκυρη υπόθεση για τη γραμμική ελαστική απόκριση του γυαλιού (E = 70.000 MPa), σύμφωνα με το φύλλο δεδομένων του κατασκευαστή του (ιξωδοελαστικού) πολυμερικού υλικού πυρήνα [17], η γραμμική ακαμψία E = 8245 MPa χρησιμοποιήθηκε σε η τρέχουσα ανάλυση θα πρέπει να εξεταστεί αυστηρά και θα μελετηθεί σε μελλοντική έρευνα.
Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται εδώ αξιολογούνται κυρίως για παραμορφώσεις σε μέγιστα φορτία ανέμου έως 4000 Pa (=ˆ4kN/m2). Για αυτό, οι εικόνες που καταγράφηκαν με τη μέθοδο DIC συγκρίθηκαν με τα αποτελέσματα της αριθμητικής προσομοίωσης (FEM) (Εικ. 8, κάτω δεξιά). Ενώ στο FEM υπολογίζεται μια ιδανική συνολική καταπόνηση 0 mm με «ιδανικά» γραμμικά στηρίγματα στην περιοχή των άκρων (δηλ. την περίμετρο του πίνακα), η φυσική μετατόπιση της περιοχής ακμής πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά την αξιολόγηση του DIC. Αυτό οφείλεται σε ανοχές εγκατάστασης και παραμόρφωση του πλαισίου δοκιμής και των σφραγίδων του. Για σύγκριση, η μέση μετατόπιση στην περιοχή των άκρων (διακεκομμένη λευκή γραμμή στο Σχ. 8) αφαιρέθηκε από τη μέγιστη μετατόπιση στο κέντρο του πίνακα. Οι μετατοπίσεις που προσδιορίζονται από το DIC και το FEA συγκρίνονται στον Πίνακα 1 και φαίνονται γραφικά στην επάνω αριστερή γωνία του Σχ. 8.
Τα τέσσερα εφαρμοζόμενα επίπεδα φορτίου του πειραματικού μοντέλου χρησιμοποιήθηκαν ως σημεία ελέγχου για αξιολόγηση και αξιολογήθηκαν στο FEM. Η μέγιστη κεντρική μετατόπιση της σύνθετης πλάκας σε κατάσταση χωρίς φορτίο προσδιορίστηκε με μετρήσεις DIC σε επίπεδο φορτίου 4000 Pa στα 2,18 mm. Ενώ οι μετατοπίσεις FEA σε χαμηλότερα φορτία (έως 2000 Pa) μπορούν ακόμα να αναπαράγουν με ακρίβεια πειραματικές τιμές, η μη γραμμική αύξηση της τάσης σε υψηλότερα φορτία δεν μπορεί να υπολογιστεί με ακρίβεια.
Ωστόσο, μελέτες έχουν δείξει ότι τα σύνθετα πάνελ μπορούν να αντέξουν ακραία φορτία ανέμου. Ξεχωρίζει ιδιαίτερα η υψηλή ακαμψία των ελαφριών πάνελ. Χρησιμοποιώντας αναλυτικούς υπολογισμούς που βασίζονται στη γραμμική θεωρία των πλακών Kirchhoff [20], μια παραμόρφωση 2,18 mm στα 4000 Pa αντιστοιχεί στην παραμόρφωση μιας μονής γυάλινης πλάκας πάχους 12 mm κάτω από τις ίδιες οριακές συνθήκες. Ως αποτέλεσμα, το πάχος του γυαλιού (το οποίο είναι ενεργοβόρο στην παραγωγή) σε αυτό το σύνθετο πάνελ μπορεί να μειωθεί σε γυαλί 2 x 3 mm, με αποτέλεσμα εξοικονόμηση υλικού 50%. Η μείωση του συνολικού βάρους του πίνακα παρέχει πρόσθετα πλεονεκτήματα όσον αφορά τη συναρμολόγηση. Ενώ ένα σύνθετο πάνελ 30 κιλών μπορεί εύκολα να το χειριστούν δύο άτομα, ένα παραδοσιακό γυάλινο πάνελ 50 κιλών απαιτεί τεχνική υποστήριξη για να κινηθεί με ασφάλεια. Προκειμένου να αναπαρασταθεί με ακρίβεια η μηχανική συμπεριφορά, θα απαιτηθούν πιο λεπτομερή αριθμητικά μοντέλα σε μελλοντικές μελέτες. Η ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων μπορεί να βελτιωθεί περαιτέρω με πιο εκτεταμένα μοντέλα μη γραμμικών υλικών για πολυμερή και μοντελοποίηση συγκολλητικού δεσμού.
Η ανάπτυξη και η βελτίωση των ψηφιακών διαδικασιών διαδραματίζουν βασικό ρόλο στη βελτίωση των οικονομικών και περιβαλλοντικών επιδόσεων στον κατασκευαστικό κλάδο. Επιπλέον, η χρήση λεπτού γυαλιού στις προσόψεις υπόσχεται εξοικονόμηση ενέργειας και πόρων και ανοίγει νέες δυνατότητες για την αρχιτεκτονική. Ωστόσο, λόγω του μικρού πάχους του γυαλιού, απαιτούνται νέες σχεδιαστικές λύσεις για την επαρκή ενίσχυση του γυαλιού. Ως εκ τούτου, η μελέτη που παρουσιάζεται σε αυτό το άρθρο διερευνά την έννοια των σύνθετων πάνελ κατασκευασμένων από λεπτό γυαλί και συγκολλημένες ενισχυμένες δομές πυρήνα πολυμερούς 3D εκτύπωσης. Ολόκληρη η διαδικασία παραγωγής από το σχεδιασμό έως την παραγωγή έχει ψηφιοποιηθεί και αυτοματοποιηθεί. Με τη βοήθεια του Grasshopper, αναπτύχθηκε μια ροή εργασιών από αρχείο σε εργοστάσιο για να καταστεί δυνατή η χρήση σύνθετων πάνελ λεπτού γυαλιού σε μελλοντικές προσόψεις.
Η παραγωγή του πρώτου πρωτοτύπου απέδειξε τη σκοπιμότητα και τις προκλήσεις της ρομποτικής κατασκευής. Ενώ η κατασκευή πρόσθετων και αφαιρετικών είναι ήδη καλά ενσωματωμένη, η πλήρως αυτοματοποιημένη εφαρμογή και η συναρμολόγηση κόλλας παρουσιάζει πρόσθετες προκλήσεις που πρέπει να αντιμετωπιστούν σε μελλοντική έρευνα. Μέσω προκαταρκτικών μηχανικών δοκιμών και σχετιζόμενων ερευνητικών μοντέλων πεπερασμένων στοιχείων, έχει αποδειχθεί ότι τα ελαφριά και λεπτά πάνελ από υαλοβάμβακα παρέχουν επαρκή ακαμψία κάμψης για τις επιδιωκόμενες εφαρμογές της πρόσοψής τους, ακόμη και κάτω από ακραίες συνθήκες φορτίου ανέμου. Η συνεχιζόμενη έρευνα των συγγραφέων θα διερευνήσει περαιτέρω τις δυνατότητες των ψηφιακά κατασκευασμένων σύνθετων πάνελ λεπτού γυαλιού για εφαρμογές προσόψεων και θα καταδείξει την αποτελεσματικότητά τους.
Οι συγγραφείς θα ήθελαν να ευχαριστήσουν όλους τους υποστηρικτές που σχετίζονται με αυτήν την ερευνητική εργασία. Χάρη στο πρόγραμμα χρηματοδότησης EFRE SAB που χρηματοδοτείται από πόρους της Ευρωπαϊκής Ένωσης με τη μορφή επιχορήγησης Αρ. για την παροχή οικονομικών πόρων για την αγορά χειριστή με εξωθητή και συσκευή φρεζαρίσματος. 100537005. Επιπλέον, η AiF-ZIM αναγνωρίστηκε για τη χρηματοδότηση του ερευνητικού έργου Glasfur3D (αριθμός επιχορήγησης ZF4123725WZ9) σε συνεργασία με την Glaswerkstätten Glas Ahne, η οποία παρείχε σημαντική υποστήριξη για αυτήν την ερευνητική εργασία. Τέλος, το Εργαστήριο Friedrich Siemens και οι συνεργάτες του, ιδιαίτερα ο Felix Hegewald και ο βοηθός μαθητή Jonathan Holzerr, αναγνωρίζουν την τεχνική υποστήριξη και εφαρμογή της κατασκευής και των φυσικών δοκιμών που αποτέλεσαν τη βάση για αυτήν την εργασία.