Prototypes fan digitaal fabrisearre tinne glêzen gearstalde gevelpanielen

It brûken fan tinne glês belooft te ferfoljen ferskate taken yn de bou yndustry. Neist de miljeufoardielen fan effisjinter gebrûk fan boarnen, kinne arsjitekten tinne glês brûke om nije graden fan ûntwerpfrijheid te berikken. Op grûn fan 'e sandwich-teory kin fleksibel tinne glês wurde kombineare mei in 3D-printe iepen-sel polymearkearn om heul stive en lichtgewicht te foarmjen gearstalde eleminten. Dit artikel presintearret in ferkennend besykjen ta digitale fabryk fan tinne glêzen gearstalde gevelpanielen mei yndustriële robots. It ferklearret it konsept fan digitalisearjen fan fabryk-nei-fabryk workflows, ynklusyf komputer-stipe ûntwerp (CAD), engineering (CAE), en manufacturing (CAM). De stúdzje toant in parametrysk ûntwerpproses dat naadleaze yntegraasje fan digitale analyse-ark mooglik makket.
Derneist toant dit proses it potensjeel en de útdagings fan it digitaal produsearjen fan tinne glêzen gearstalde panielen. Guon fan 'e fabrikaazjestappen útfierd troch in yndustriële robotarm, lykas additive fabrikaazje fan grut formaat, oerflakferwurking, lijm- en assemblageprosessen, wurde hjir útlein. Uteinlik is foar it earst in djip begryp fan 'e meganyske eigenskippen fan gearstalde panielen krigen troch eksperimintele en numerike stúdzjes en evaluaasje fan' e meganyske eigenskippen fan gearstalde panielen ûnder oerflakladen. It algemiene konsept fan digitaal ûntwerp en fabrikaazjeworkflow, lykas de resultaten fan eksperimintele stúdzjes, jouwe in basis foar fierdere yntegraasje fan foarmdefinysje en analysemetoaden, lykas ek foar it útfieren fan wiidweidige meganistyske stúdzjes yn takomstige stúdzjes.
Digitale produksjemetoaden kinne ús produksje ferbetterje troch tradisjonele metoaden te transformearjen en nije ûntwerpmooglikheden te leverjen [1]. Tradysjonele boumetoaden tendearje materialen te oerbrûken yn termen fan kosten, basismjitkunde en feiligens. Troch konstruksje nei fabriken te ferpleatsen, modulêre prefabryk en robotika te brûken om nije ûntwerpmetoaden te ymplementearjen, kinne materialen effisjint brûkt wurde sûnder feiligens te kompromittearjen. Digitale fabrikaazje lit ús ús ûntwerpferbylding útwreidzje om mear ferskaat, effisjinter en ambisjeuze geometryske foarmen te meitsjen. Wylst de ûntwerp- en berekkeningsprosessen foar in grut part binne digitalisearre, wurde fabrikaazje en assemblage noch foar in grut part op tradisjonele manieren mei de hân dien. Om te gean mei hieltyd kompleksere struktueren fan frije foarm, wurde digitale produksjeprosessen hieltyd wichtiger. De winsk nei frijheid en ûntwerpfleksibiliteit, benammen as it giet om gevels, groeit stadichoan. Njonken it fisuele effekt kinne frije-foarmgevels jo ek effisjintere struktueren meitsje, bygelyks troch it brûken fan membraaneffekten [2]. Derneist leit it grutte potensjeel fan digitale produksjeprosessen yn har effisjinsje en de mooglikheid fan ûntwerpoptimalisaasje.
Dit artikel ûndersiket hoe't digitale technology kin wurde brûkt om in ynnovatyf gearstald gevelpaniel te ûntwerpen en te produsearjen, besteande út in additive fabrisearre polymearkearn en bûnte tinne glêzen bûtenpanels. Njonken de nije arsjitektoanyske mooglikheden dy't ferbûn binne mei it brûken fan tinne glês, binne ek miljeu- en ekonomyske kritearia wichtige motivaasjes west foar it brûken fan minder materiaal foar it bouwen fan de bouhûn. Mei klimaatferoaring, krapte fan boarnen en tanimmende enerzjyprizen yn de takomst moat glês tûker brûkt wurde. It brûken fan tinne glês minder as 2 mm dik út de elektroanika yndustry makket de gevel ljocht en ferminderet it brûken fan grûnstoffen.
Troch de hege fleksibiliteit fan tinne glês, iepenet it nije mooglikheden foar arsjitektoanyske tapassingen en stelt tagelyk nije technyske útdagings [3,4,5,6]. Wylst de hjoeddeistige ymplemintaasje fan gevelprojekten mei tinne glês beheind is, wurdt tinne glês hieltyd mear brûkt yn sivile technyk en arsjitektuerstúdzjes. Troch it hege fermogen fan tinne glês foar elastyske deformaasje fereasket it gebrûk yn gevels fersterke strukturele oplossingen [7]. Neist it eksploitearjen fan it membraaneffekt troch de bûgde mjitkunde [8], kin it ynertiamomint ek ferhege wurde troch in mearlaachige struktuer dy't bestiet út in polymearkearn en in gelijmde tinne glêzen bûtenblêd. Dizze oanpak hat belofte toand troch it brûken fan in hurde transparante polycarbonate kearn, dat is minder ticht as glês. Neist de positive meganyske aksje waarden ekstra feiligenskritearia foldien [9].
De oanpak yn de folgjende stúdzje is basearre op itselde konsept, mar mei help fan in additive fabrisearre iepen-pore trochsichtich kearn. Dit garandearret in hegere mjitte fan geometryske frijheid en ûntwerpmooglikheden, lykas de yntegraasje fan 'e fysike funksjes fan it gebou [10]. Sokke gearstalde panielen hawwe bewiisd benammen effektyf yn meganyske testen [11] en tasizze te ferminderjen it bedrach fan glês brûkt oant 80%. Dit sil net allinich de fereaske boarnen ferminderje, mar ek it gewicht fan 'e panielen signifikant ferminderje, wêrtroch't de effisjinsje fan' e ûnderbou tanimme. Mar nije foarmen fan bou fereaskje nije foarmen fan produksje. Effisjinte struktueren fereaskje effisjinte produksjeprosessen. Digitaal ûntwerp draacht by oan digitale produksje. Dit artikel ferfolget it foarige ûndersyk fan 'e auteur troch in stúdzje te presintearjen fan it digitale produksjeproses fan tinne glêzen gearstalde panielen foar yndustriële robots. De fokus leit op it digitalisearjen fan de file-to-factory workflow fan 'e earste prototypes yn grut formaat om de automatisearring fan it produksjeproses te fergrutsjen.
It gearstalde paniel (figuer 1) bestiet út twa tinne glêzen overlays wikkele om in AM-polymeerkearn. De twa dielen binne ferbûn mei lijm. It doel fan dit ûntwerp is om de lading sa effisjint mooglik oer de hiele seksje te ferdielen. Buigmominten meitsje normale spanningen yn 'e shell. Laterale krêften feroarsaakje skuorspanningen yn 'e kearn en adhesive gewrichten.
De bûtenste laach fan 'e sandwichstruktuer is makke fan tinne glês. Yn prinsipe sil soda-kalk silikaatglês brûkt wurde. Mei in doeldikte <2 mm berikt it thermyske tempereringsproses de hjoeddeistige technologyske limyt. Chemysk fersterke aluminosilikaatglês kin benammen geskikt wurde beskôge as hegere sterkte fereaske is fanwege ûntwerp (bgl. kâld opfolde panielen) of gebrûk [12]. De ljochttransmission en miljeubeskermingsfunksjes sille wurde komplementeare troch goede meganyske eigenskippen lykas goede krasbestindich en in relatyf hege Young's modulus yn ferliking mei oare materialen brûkt yn kompositen. Fanwegen de beheinde grutte beskikber foar gemysk ferhurde tinne glês, waarden panielen fan folslein temperearre 3 mm dik soda-kalkglês brûkt om it earste grutskalige prototype te meitsjen.
De stypjende struktuer wurdt beskôge as in foarm diel fan it gearstalde paniel. Hast alle attributen wurde beynfloede troch it. Mei tank oan de additive manufacturing metoade is it ek it sintrum fan it digitale produksjeproses. Thermoplastyk wurdt ferwurke troch fusing. Dit makket it mooglik om in grut oantal ferskillende polymers te brûken foar spesifike tapassingen. De topology fan 'e haadeleminten kin wurde ûntwurpen mei ferskate klam ôfhinklik fan har funksje. Foar dit doel kin foarmûntwerp wurde ferdield yn de folgjende fjouwer ûntwerpkategoryen: struktureel ûntwerp, funksjoneel ûntwerp, estetysk ûntwerp en produksjeûntwerp. Elke kategory kin ferskillende doelen hawwe, dy't liede kinne ta ferskate topologyen.
Tidens de foarriedige stúdzje waarden guon fan 'e wichtichste ûntwerpen hifke foar de geskiktheid fan har ûntwerp [11]. Ut in meganysk eachpunt, de trije-perioade minimum kearn oerflak fan de gyroscoop is benammen effektyf. Dit soarget foar hege meganyske ferset tsjin bûgen by in relatyf leech materiaalferbrûk. Neist de sellulêre basisstruktueren dy't yn 'e oerflakregio's reprodusearre binne, kin de topology ek generearre wurde troch oare foarmfiningstechniken. Stressline generaasje is ien fan 'e mooglike manieren om stivens te optimalisearjen op it leechst mooglike gewicht [13]. De honingraatstruktuer, in protte brûkt yn sandwichkonstruksjes, is lykwols brûkt as útgongspunt foar de ûntwikkeling fan 'e produksjeline. Dizze basisfoarm liedt ta rappe foarútgong yn produksje, benammen troch maklike toolpath-programmearring. It gedrach yn gearstalde panielen is wiidweidich studearre [14, 15, 16] en it uterlik kin op in protte manieren feroare wurde troch parameterisaasje en kin ek brûkt wurde foar inisjele optimisaasjebegripen.
D'r binne in protte thermoplastyske polymeren om te beskôgjen by it kiezen fan in polymeer, ôfhinklik fan it brûkte ekstruderingsproses. Inisjele foarriedige stúdzjes fan lytsskalige materialen hawwe ferlege it oantal polymers beskôge geskikt foar gebrûk yn gevels [11]. Polycarbonate (PC) is belofte fanwege syn waarmte ferset, UV ferset en hege rigidity. Fanwegen de ekstra technyske en finansjele ynvestearrings dy't nedich binne om polykarbonaat te ferwurkjen, waard ethylene glycol modifisearre polyetyleentereftalaat (PETG) brûkt om de earste prototypen te produsearjen. It is benammen maklik te ferwurkjen by relatyf lege temperatueren mei in leech risiko fan termyske stress en komponintdeformaasje. It prototype werjûn hjir is makke fan recycled PETG neamd PIPG. It materiaal waard foarearst droech by 60 ° C foar op syn minst 4 h en ferwurke yn granules mei in glêstried ynhâld fan 20% [17].
De adhesive soarget foar in sterke bân tusken de polymear kearnstruktuer en it tinne glêzen lid. Wannear't gearstalde panielen ûnderwurpen wurde oan bûgjende ladingen, wurde de adhesive gewrichten ûnderwurpen oan skuorspanning. Dêrom is in hurder adhesive de foarkar en kin ôfwiking ferminderje. Dúdlike kleefstoffen helpe ek in hege fisuele kwaliteit te leverjen as se ferbûn binne oan dúdlik glês. In oare wichtige faktor by it kiezen fan in lijm is fabrikaazje en yntegraasje yn automatisearre produksjeprosessen. Hjir kinne UV curing kleefstoffen mei fleksibele curing tiden sterk ferienfâldigje de posisjonearring fan de cover lagen. Op grûn fan foarriedige testen waard in searje kleefstoffen hifke foar har geskiktheid foar tinne glêzen gearstalde panielen [18]. Loctite® AA 3345™ UV-hurd acrylaat [19] blykte benammen geskikt te wêzen foar it folgjende proses.
Om te profitearjen fan de mooglikheden fan additive fabrikaazje en de fleksibiliteit fan tinne glês, waard it hiele proses ûntworpen om digitaal en parametrysk te wurkjen. Grasshopper wurdt brûkt as in fisuele programmearring ynterface, it foarkommen fan ynterfaces tusken ferskate programma's. Alle dissiplines (yngenieur, engineering en fabrikaazje) sille stypje en oanfolje elkoar yn ien triem mei direkte feedback fan de operator. Op dit stadium fan 'e stúdzje is de workflow noch yn ûntwikkeling en folget it patroan sjen litten yn figuer 2. De ferskate doelstellings kinne yndield wurde yn kategoryen binnen dissiplines.
Hoewol de produksje fan sandwichpanielen yn dit papier is automatisearre mei brûker-sintraal ûntwerp en fabrikaazjefoarming, is de yntegraasje en falidaasje fan yndividuele yngenieursynstruminten net folslein realisearre. Op grûn fan it parametryske ûntwerp fan 'e gevelgeometry is it mooglik om de bûtenkant fan it gebou te ûntwerpen op it makronivo (gevel) en meso (gevelpanielen). Yn 'e twadde stap is de yngenieurfeedback-loop fan doel de feiligens en geskiktheid te evaluearjen, lykas ek de leefberens fan fabrikaazje fan gerdynmuorre. Uteinlik binne de resultearjende panielen klear foar digitale produksje. It programma ferwurket de ûntwikkele kearnstruktuer yn masine-lêsbere G-koade en taret it op foar additive manufacturing, subtraktive post-ferwurking en glêsbonding.
It ûntwerpproses wurdt op twa ferskillende nivo's beskôge. Neist it feit dat de makrofoarm fan 'e gevels de mjitkunde fan elke gearstalde paniel beynfloedet, kin de topology fan' e kearn sels ek op it meso-nivo wurde ûntwurpen. By it brûken fan in parametrysk gevelmodel kinne de foarm en it uterlik beynfloede wurde troch de foarbyldgevelseksjes mei de sliders werjûn yn figuer 3. Sa bestiet it totale oerflak út in troch de brûker definieare skalberber oerflak dat mei puntattraksjes ferfoarme wurde kin en feroare wurde troch spesifisearje in minimum en de maksimale graad fan deformation. Dit soarget foar in hege graad fan fleksibiliteit yn it ûntwerp fan gebou envelopes. Dizze graad fan frijheid wurdt lykwols beheind troch technyske en produksjebeheiningen, dy't dan wurde spile troch de algoritmen yn it yngenieurdiel.
Neist de hichte en breedte fan de hiele gevel wurdt de ferdieling fan de gevelplaten bepaald. Wat yndividuele gevelpanielen oanbelanget, kinne se op meso-nivo krekter definieare wurde. Dit beynfloedet de topology fan 'e kearnstruktuer sels, lykas de dikte fan it glês. Dizze twa fariabelen, lykas de grutte fan it paniel, hawwe in wichtige relaasje mei meganyske technykmodellering. It ûntwerp en ûntwikkeling fan it heule makro- en meso-nivo kin wurde útfierd yn termen fan optimisaasje yn 'e fjouwer kategoryen struktuer, funksje, estetyk en produktûntwerp. Brûkers kinne it algemiene uterlik en gefoel fan 'e gebouomjouwing ûntwikkelje troch dizze gebieten te prioritearjen.
It projekt wurdt stipe troch it yngenieurdiel mei in feedbackloop. Dêrta wurde doelen en grinsbetingsten definiearre yn 'e optimisaasjekategory werjûn yn Fig. Dit is it útgongspunt foar ferskate ark dy't direkt yn Grasshopper kinne wurde yntegrearre. Yn fierdere ûndersiken kinne meganyske eigenskippen wurde evaluearre mei Finite Element Analysis (FEM) of sels analytyske berekkeningen.
Derneist kinne stúdzjes foar sinnestrieling, line-of-sight-analyse, en sinneskyntiidmodellering de ynfloed fan gearstalde panielen op bouwfysika evaluearje. It is wichtich om de snelheid, effisjinsje en fleksibiliteit fan it ûntwerpproses net te beheinen. As sadanich binne de hjir krigen resultaten ûntworpen om ekstra begelieding en stipe te jaan oan it ûntwerpproses en binne gjin ferfanging foar detaillearre analyze en rjochtfeardiging oan 'e ein fan it ûntwerpproses. Dit strategysk plan leit de basis foar fierder kategoarysk ûndersyk nei bewiisde resultaten. Bygelyks is noch net folle bekend oer it meganyske gedrach fan gearstalde panielen ûnder ferskate lading- en stipebetingsten.
Sadree't it ûntwerp en engineering foltôge is, is it model klear foar digitale produksje. It produksjeproses is ferdield yn fjouwer substappen (figuer 4). Earst waard de haadstruktuer addityf makke mei in grutskalige robotyske 3D-printer. It oerflak wurdt dan gemalen mei deselde robotic systeem te ferbetterjen de oerflak kwaliteit nedich foar goede bonding. Nei it frezen wurdt de lijm lâns de kearnstruktuer tapast mei in spesjaal ûntwurpen doseersysteem monteard op itselde robotsysteem dat brûkt wurdt foar it printsjen en frezen. Ta beslút, it glês wurdt ynstallearre en lein foarôfgeand oan UV curing fan de bonded joint.
Foar additive manufacturing moat de definieare topology fan 'e ûnderlizzende struktuer wurde oerset yn CNC-masinetaal (GCode). Foar unifoarme en hege kwaliteitsresultaten is it doel om elke laach te printsjen sûnder dat it extrudermondstuk ôffalt. Dit foarkomt net winske oerdruk oan it begjin en ein fan 'e beweging. Dêrom waard in trochgeande trajektgeneraasjeskript skreaun foar it selpatroan dat brûkt wurdt. Dit sil in parametrysk trochgeande polyline meitsje mei deselde start- en einpunten, dy't har oanpasse oan 'e selektearre panielgrutte, oantal en grutte fan honeycombs as per ûntwerp. Derneist kinne parameters lykas linebreedte en linehichte wurde oantsjutte foardat linen lizze om de winske hichte fan 'e haadstruktuer te berikken. De folgjende stap yn it skript is it skriuwen fan de G-koade kommando's.
Dit wurdt dien troch it opnimmen fan de koördinaten fan elk punt op 'e line mei ekstra masine ynformaasje lykas oare relevante assen foar posisjonearring en extrusion folume kontrôle. De resultearjende G-koade kin dan wurde oerdroegen oan produksjemasines. Yn dit foarbyld wurdt in Comau NJ165 yndustriële robot earm op in lineêre spoar brûkt foar in kontrôle in CEAD E25 extruder neffens de G-koade (figuer 5). It earste prototype brûkte post-yndustriële PETG mei in glêsfezelynhâld fan 20%. Yn termen fan meganyske testen is de doelgrutte ticht by de grutte fan 'e bousektor, sadat de ôfmjittings fan it haadelemint 1983 × 876 mm binne mei 6 × 4 honeycomb-sellen. 6 mm en 2 mm heech.
Foarriedige testen hawwe oantoand dat d'r in ferskil is yn kleefsterkte tusken kleefstof en 3D-printhars ôfhinklik fan har oerflakeigenskippen. Om dit te dwaan, testeksimplaren foar additive manufacturing wurde gelijmd of laminearre op glês en ûnderwurpen oan spanning as skuorre. Tidens foarriedige meganyske ferwurking fan it polymeer oerflak troch milling, ferhege de sterkte gâns (figuer 6). Dêrnjonken ferbetteret it de flakheid fan 'e kearn en foarkomt defekten dy't feroarsake binne troch overextrusion. It UV-geneesbere LOCTITE® AA 3345™ [19] acrylaat dat hjir brûkt wurdt is gefoelich foar ferwurkingsomstannichheden.
Dit resulteart faak yn in hegere standertdeviaasje foar de testmonsters fan obligaasjes. Nei additive manufacturing, de kearnstruktuer waard gemalen op in profyl milling masine. De G-koade dy't nedich is foar dizze operaasje wurdt automatysk oanmakke fan arkpaden dy't al makke binne foar it 3D-printproses. De kearnstruktuer moat wat heger wurde printe as de bedoelde kearnhichte. Yn dit foarbyld is de 18 mm dikke kearnstruktuer fermindere nei 14 mm.
Dit diel fan it produksjeproses is in grutte útdaging foar folsleine automatisearring. It gebrûk fan kleefstoffen stelt hege easken oan 'e krektens en krektens fan masines. It pneumatyske doseersysteem wurdt brûkt om de lijm lâns de kearnstruktuer oan te passen. It wurdt begelaat troch de robot lâns it milling oerflak yn oerienstimming mei de definiearre ark paad. It docht bliken dat it ferfangen fan de tradisjonele dispensing tip mei in kwast benammen foardielich is. Hjirmei kinne kleefstoffen mei lege viskositeit unifoarm per folume ôfjûn wurde. Dit bedrach wurdt bepaald troch de druk yn it systeem en de snelheid fan de robot. Foar gruttere presyzje en hege bonding kwaliteit, lege reis snelheden fan 200 oant 800 mm / min binne de foarkar.
Acrylate mei in gemiddelde viskositeit fan 1500 mPa * s waard tapast oan 'e muorre fan' e polymear kearn 6 mm breed mei in doseerborstel mei in ynderlike diameter fan 0,84 mm en in borstel breedte fan 5 by in tapaste druk fan 0,3 oant 0,6 mbar. mm. De lijm wurdt dan ferspraat oer it oerflak fan it substraat en foarmet troch oerflakspanning in 1 mm dikke laach. De krekte bepaling fan de lijmdikte kin noch net automatisearre wurde. De doer fan it proses is in wichtich kritearium foar it kiezen fan in adhesive. De hjir produsearre kearnstruktuer hat in baanlingte fan 26 m en dus in oanfraachtiid fan 30 oant 60 minuten.
Nei it oanbringen fan de lijm, ynstallearje it finster mei dûbeld glês op it plak. Troch de lege dikte fan it materiaal is tinne glês al sterk ferfoarme troch it eigen gewicht en moat dêrom sa lyk as mooglik pleatst wurde. Dêrfoar wurde pneumatyske glêzen sûgkoppen mei tiidferspraat sûgkoppen brûkt. It wurdt pleatst op de komponint mei help fan in kraan, en yn 'e takomst kin wurde pleatst direkt mei help fan robots. De glêzen plaat waard pleatst parallel oan it oerflak fan 'e kearn op' e adhesive laach. Troch it lichtere gewicht fergruttet in ekstra glêzen plaat (4 oant 6 mm dik) de druk derop.
It resultaat moat wêze folsleine wasting fan it glês oerflak lâns de kearn struktuer, sa't kin wurde beoardiele út in earste fisuele ynspeksje fan sichtbere kleur ferskillen. It oanfraachproses kin ek in wichtige ynfloed hawwe op 'e kwaliteit fan' e definitive bondele joint. Ien kear ferbûn, moatte de glêzen panielen net ferpleatst wurde, om't dit sil resultearje yn sichtbere lijmresidu op it glês en mankeminten yn 'e eigentlike lijmlaach. Uteinlik wurdt de lijm genêzen mei UV-strieling op in golflingte fan 365 nm. Om dit te dwaan, wurdt in UV-lampe mei in krêftdichtheid fan 6 mW/cm2 stadichoan oer it hiele adhesive oerflak foar 60 sekonden trochjûn.
It konsept fan lichtgewicht en oanpasbere tinne glêzen gearstalde panielen mei additive fabrisearre polymear kearn besprutsen hjir is bedoeld foar gebrûk yn takomstige gevels. Sa moatte gearstalde panielen foldwaan oan tapassing noarmen en foldwaan oan de easken foar tsjinst limyt steaten (SLS), ultimate sterkte limyt steaten (ULS) en feiligens easken. Dêrom moatte gearstalde panielen feilich, sterk en stiif genôch wêze om loads te wjerstean (lykas oerflaklasten) sûnder brekken of oermjittige deformaasje. Om de meganyske reaksje fan earder fabrisearre tinne glêzen gearstalde panielen te ûndersiikjen (lykas beskreaun yn 'e seksje Mechanical Testing), waarden se ûnderwurpen oan wynlasttests lykas beskreaun yn' e folgjende subseksje.
It doel fan fysike testen is om de meganyske eigenskippen te bestudearjen fan gearstalde panielen fan eksterne muorren ûnder wynlasten. Foar dit doel, gearstalde panielen besteande út in 3 mm dik folslein tempered glêzen bûtenste sheet en in 14 mm dikke additively fabrisearre kearn (fan PIPG-GF20) makke lykas hjirboppe beskreaun mei Henkel Loctite AA 3345 adhesive (figuer 7 lofts). )). . De gearstalde panielen wurde dan hechte oan de houten stipe frame mei metalen screws dy't dreaun troch de houten frame en yn 'e kanten fan' e wichtichste struktuer. 30 screws waarden pleatst om de perimeter fan it paniel (sjoch de swarte line oan de linkerkant yn Fig. 7) foar in reprodusearje de lineêre stipe betingsten om de perimeter sa nau mooglik.
It testframe waard doe fersegele oan 'e bûtenste testmuorre troch wyndruk of wynsuging efter it gearstalde paniel oan te passen (figuer 7, rjochts boppe). In digitaal korrelaasjesysteem (DIC) wurdt brûkt om gegevens op te nimmen. Om dit te dwaan, wurdt it bûtenglês fan it gearstalde paniel bedekt mei in tinne elastysk blêd dat op printe is mei in pearline-lûdpatroan (fig. 7, rjochts ûnder). DIC brûkt twa kamera's om de relative posysje fan alle mjitpunten op it hiele glêzen oerflak op te nimmen. Twa bylden per sekonde waarden opnommen en brûkt foar evaluaasje. De druk yn 'e keamer, omjûn troch gearstalde panielen, wurdt ferhege troch middel fan in fan yn 1000 Pa stappen oant in maksimum wearde fan 4000 Pa, sadat elk load nivo wurdt hanthavene foar 10 sekonden.
De fysike opset fan it eksperimint wurdt ek fertsjintwurdige troch in numerike model mei deselde geometryske ôfmjittings. Dêrfoar wurdt it numerike programma Ansys Mechanical brûkt. De kearnstruktuer wie geometrysk gaas mei SOLID 185 hexagonal eleminten mei 20 mm kanten foar glês en SOLID 187 tetrahedral eleminten mei 3 mm kanten. Om ferienfâldigjen modellewurk, op dit stadium fan 'e stúdzje, wurdt oannommen hjir dat it acrylaat brûkt is by útstek stiif en tin, en wurdt definiearre as in stive bân tusken it glês en de kearn materiaal.
De gearstalde panielen wurde fêstmakke yn in rjochte line bûten de kearn, en it glêzen paniel wurdt ûnderwurpen oan in oerflak druk load pa 4000 Pa. studearje. Hoewol dit in jildige oanname is foar de lineêre elastyske reaksje fan glês (E = 70.000 MPa), neffens it gegevensblêd fan 'e fabrikant fan it (viskoelastysk) polymere kearnmateriaal [17], waard de lineêre stivens E = 8245 MPa brûkt yn de hjoeddeistige analyze moat strang beskôge wurde en sil wurde bestudearre yn takomstich ûndersyk.
De hjir presintearre resultaten wurde benammen evaluearre foar deformaasjes by maksimale wynlasten oant 4000 Pa (=ˆ4kN/m2). Dêrfoar waarden de bylden opnommen troch de DIC-metoade fergelike mei de resultaten fan numerike simulaasje (FEM) (Fig. 8, rjochts ûnder). Wylst in ideale totale strain fan 0 mm mei "ideale" lineêre stipet yn 'e râne regio (dat wol sizze, paniel perimeter) wurdt berekkene yn' e FEM, de fysike ferpleatsing fan de râne regio moat rekken holden wurde by it evaluearjen fan de DIC. Dit komt troch ynstallaasjetolerânsjes en deformaasje fan it testframe en har dichtingen. Foar fergeliking, de gemiddelde ferpleatsing yn 'e râne regio (stiple wite line yn Fig. 8) subtracted út de maksimale ferpleatsing yn it sintrum fan it paniel. De ferpleatsingen bepaald troch DIC en FEA wurde fergelike yn Tabel 1 en wurde grafysk werjûn yn 'e boppeste linker hoeke fan Fig.. 8.
De fjouwer tapaste loadnivo's fan it eksperimintele model waarden brûkt as kontrôlepunten foar evaluaasje en evaluearre yn 'e FEM. De maksimale sintrale ferpleatsing fan 'e gearstalde plaat yn' e ûntladen steat waard bepaald troch DIC-mjittingen op in loadnivo fan 4000 Pa by 2,18 mm. Wylst FEA-ferpleatsingen by legere loads (oant 2000 Pa) eksperimintele wearden noch sekuer kinne reprodusearje, kin de net-lineêre ferheging fan strain by hegere loads net sekuer berekkene wurde.
Stúdzjes hawwe lykwols útwiisd dat gearstalde panielen ekstreem wynlasten ferneare kinne. Benammen de hege rigiditeit fan 'e lichtgewicht panielen stiet op. Mei help fan analytyske berekkeningen basearre op de lineêre teory fan Kirchhoff platen [20], komt in ferfoarming fan 2,18 mm by 4000 Pa oerien mei de ferfoarming fan in inkele glêzen plaat 12 mm dik ûnder deselde grins betingsten. Dêrtroch kin de dikte fan it glês (dat is enerzjy-yntinsyf yn produksje) yn dit gearstalde paniel ferlege wurde nei 2 x 3mm glês, wat resulteart yn in materiaalbesparring fan 50%. It ferminderjen fan it totale gewicht fan it paniel jout ekstra foardielen yn termen fan gearkomste. Wylst in 30 kg gearstalde paniel kin maklik wurde ôfhannele troch twa minsken, in tradisjoneel 50 kg glêzen paniel fereasket technyske stipe om feilich te bewegen. Om it meganyske gedrach sekuer te representearjen, sille mear detaillearre numerike modellen nedich wêze yn takomstige stúdzjes. Finite elemint analyze kin fierder wurde ferbettere mei mear wiidweidige net-lineêre materiaal modellen foar polymers en adhesive bonding modellering.
De ûntwikkeling en ferbettering fan digitale prosessen spylje in wichtige rol by it ferbetterjen fan ekonomyske en miljeuprestaasjes yn 'e bousektor. Dêrnjonken belooft it brûken fan tinne glês yn gevels enerzjy- en boarnebesparring en iepenet nije mooglikheden foar arsjitektuer. Troch de lytse dikte fan it glês binne lykwols nije ûntwerpoplossingen nedich om it glês adekwaat te fersterkjen. Dêrom ûndersiket de stúdzje presintearre yn dit artikel it konsept fan gearstalde panielen makke fan tinne glês en bondele fersterke 3D-printe polymearkearnstruktueren. It hiele produksjeproses fan ûntwerp oant produksje is digitalisearre en automatisearre. Mei help fan Grasshopper is in file-to-factory workflow ûntwikkele om it gebrûk fan tinne glêzen gearstalde panielen yn takomstige gevels mooglik te meitsjen.
De produksje fan it earste prototype toande de helberens en útdagings fan robotyske fabrikaazje oan. Wylst additive en subtraktive fabrikaazje al goed yntegreare binne, presintearje folslein automatisearre adhesive tapassing en gearstalling benammen ekstra útdagings dy't moatte wurde oanpakt yn takomstich ûndersyk. Troch foarriedige meganyske testen en byhearrende finite elemint ûndersyksmodellering, is it oantoand dat lichtgewicht en tinne glêsfezelpanielen genôch bûgstijfheid leverje foar har bedoelde gevelapplikaasjes, sels ûnder ekstreme wynlastbetingsten. It oanhâldende ûndersyk fan 'e auteurs sil it potensjeel fan digitaal fabrisearre tinne glêzen gearstalde panielen foar gevelapplikaasjes fierder ûndersykje en har effektiviteit demonstrearje.
De auteurs wolle alle oanhingers betankje dy't ferbûn binne mei dit ûndersykswurk. Mei tank oan it EFRE SAB-finansieringsprogramma finansierd út fûnsen fan 'e Jeropeeske Uny yn' e foarm fan subsydzje nr. 100537005. Dêrnjonken waard AiF-ZIM erkend foar it finansieren fan it Glasfur3D-ûndersyksprojekt (subsydzjenûmer ZF4123725WZ9) yn gearwurking mei Glaswerkstätten Glas Ahne, dy't wichtige stipe foar dit ûndersykswurk levere. Uteinlik erkennen it Friedrich Siemens Laboratory en har kollaborateurs, benammen Felix Hegewald en studinte-assistint Jonathan Holzerr, de technyske stipe en ymplemintaasje fan 'e fabrikaazje en fysike testen dy't de basis foar dit papier foarmen.