Plono stiklo naudojimas žada atlikti įvairias užduotis statybų pramonėje. Be veiksmingesnio išteklių naudojimo naudos aplinkai, architektai gali naudoti ploną stiklą, kad pasiektų naujus dizaino laisvės laipsnius. Remiantis sumuštinių teorija, lankstus plonas stiklas gali būti derinamas su 3D spausdinta atvirų ląstelių polimero šerdimi, kad susidarytų labai standus ir lengvas.
sudėtiniai elementai. Šiame straipsnyje pristatomas bandomasis bandymas skaitmeniniu būdu gaminti plonas stiklo ir kompozito fasado plokštes, naudojant pramoninius robotus. Jame paaiškinama darbo eigos skaitmeninimo iš gamyklos į gamyklą koncepcija, įskaitant kompiuterinį projektavimą (CAD), inžineriją (CAE) ir gamybą (CAM). Tyrimas demonstruoja parametrinio projektavimo procesą, kuris leidžia sklandžiai integruoti skaitmeninės analizės įrankius.
Be to, šis procesas parodo plonų stiklo kompozicinių plokščių skaitmeninės gamybos potencialą ir iššūkius. Čia paaiškinami kai kurie pramoninio roboto rankos atliekami gamybos etapai, pavyzdžiui, didelio formato priedų gamyba, paviršiaus apdirbimas, klijavimas ir surinkimas. Galiausiai pirmą kartą buvo gautas gilus supratimas apie kompozitinių plokščių mechanines savybes atliekant eksperimentinius ir skaitmeninius tyrimus bei įvertinant kompozitinių plokščių mechanines savybes esant paviršiaus apkrovai. Bendra skaitmeninio projektavimo ir gamybos darbo eigos koncepcija, taip pat eksperimentinių tyrimų rezultatai sudaro pagrindą tolesnei formos apibrėžimo ir analizės metodų integracijai, taip pat būsimose studijose atlikti plačius mechanistinius tyrimus.
Skaitmeniniai gamybos metodai leidžia tobulinti gamybą transformuojant tradicinius metodus ir suteikiant naujų projektavimo galimybių [1]. Tradiciniai statybos metodai linkę per daug naudoti medžiagas sąnaudų, pagrindinės geometrijos ir saugos požiūriu. Perkeliant statybas į gamyklas, naudojant modulinę surenkamąją gamybą ir robotiką, kad būtų įgyvendinti nauji projektavimo metodai, medžiagos gali būti naudojamos efektyviai, nepakenkiant saugai. Skaitmeninė gamyba leidžia plėsti savo dizaino vaizduotę, kad sukurtume įvairesnes, efektyvesnes ir ambicingesnes geometrines formas. Nors projektavimo ir skaičiavimo procesai didžiąja dalimi buvo suskaitmeninti, gamyba ir surinkimas vis dar daugiausia atliekami rankomis tradiciniais būdais. Norint susidoroti su vis sudėtingesnėmis laisvos formos struktūromis, skaitmeniniai gamybos procesai tampa vis svarbesni. Laisvės ir dizaino lankstumo troškimas, ypač kalbant apie fasadus, nuolat auga. Be vizualinio efekto, laisvos formos fasadai taip pat leidžia sukurti efektyvesnes konstrukcijas, pavyzdžiui, naudojant membraninius efektus [2]. Be to, didelis skaitmeninių gamybos procesų potencialas yra jų efektyvumas ir galimybė optimizuoti dizainą.
Šiame straipsnyje nagrinėjama, kaip skaitmenines technologijas galima panaudoti kuriant ir gaminant naujovišką kompozitinę fasado plokštę, kurią sudaro papildomai pagaminta polimerinė šerdis ir surištos plono stiklo išorinės plokštės. Be naujų architektūrinių galimybių, susijusių su plono stiklo naudojimu, aplinkosaugos ir ekonominiai kriterijai taip pat buvo svarbūs motyvai naudoti mažiau medžiagų statant pastato apvalkalą. Dėl klimato kaitos, išteklių trūkumo ir kylančių energijos kainų ateityje stiklas turi būti naudojamas protingiau. Naudojant ploną, mažiau nei 2 mm storio stiklą iš elektronikos pramonės, fasadas tampa lengvas ir sunaudojama mažiau žaliavų.
Dėl didelio plono stiklo lankstumo jis atveria naujas galimybes architektūriniam pritaikymui ir kartu kelia naujų inžinerinių iššūkių [3,4,5,6]. Nors šiuo metu fasadų projektų, naudojant ploną stiklą, įgyvendinimas yra ribotas, plonas stiklas vis dažniau naudojamas civilinės inžinerijos ir architektūros studijose. Dėl didelio plono stiklo gebėjimo tampriai deformuotis, jo naudojimas fasaduose reikalauja sustiprintų konstrukcinių sprendimų [7]. Be membranos efekto išnaudojimo dėl lenktos geometrijos [8], inercijos momentą taip pat gali padidinti daugiasluoksnė struktūra, susidedanti iš polimero šerdies ir klijuoto plono stiklo išorinio lakšto. Šis metodas pasirodė esąs daug žadantis dėl to, kad naudojama kieta skaidra polikarbonato šerdis, kuri yra mažiau tanki nei stiklas. Be teigiamo mechaninio poveikio, buvo įvykdyti papildomi saugos kriterijai [9].
Tolesnio tyrimo metodas grindžiamas ta pačia koncepcija, bet naudojant papildomai pagamintą atvirų porų permatomą šerdį. Tai garantuoja didesnį geometrinės laisvės laipsnį ir projektavimo galimybes bei fizinių pastato funkcijų integravimą [10]. Tokios kompozitinės plokštės pasirodė ypač veiksmingos atliekant mechaninius bandymus [11] ir žada sumažinti naudojamo stiklo kiekį iki 80%. Tai ne tik sumažins reikalingus išteklius, bet ir žymiai sumažins plokščių svorį, taip padidindamas pagrindo efektyvumą. Tačiau naujoms statybos formoms reikia naujų gamybos formų. Veiksmingoms struktūroms reikia efektyvių gamybos procesų. Skaitmeninis dizainas prisideda prie skaitmeninės gamybos. Šis straipsnis tęsia ankstesnius autorės tyrimus, pristatant pramoniniams robotams skirtų plono stiklo kompozitinių plokščių skaitmeninio gamybos proceso tyrimą. Pagrindinis dėmesys skiriamas pirmųjų didelio formato prototipų darbo eigos iš failo į gamyklą skaitmeninimui, siekiant padidinti gamybos proceso automatizavimą.
Kompozitinę plokštę (1 pav.) sudaro dvi plonos stiklo perdangos, apvyniotos aplink AM polimero šerdį. Abi dalys yra sujungtos klijais. Šios konstrukcijos tikslas – kuo efektyviau paskirstyti apkrovą visoje sekcijoje. Lenkimo momentai sukuria įprastą įtempimą apvalkale. Šoninės jėgos sukelia šlyties įtempius šerdies ir klijų jungtyse.
Išorinis sumuštinių konstrukcijos sluoksnis pagamintas iš plono stiklo. Iš esmės bus naudojamas natrio-kalkių silikatinis stiklas. Kai tikslinis storis < 2 mm, terminio grūdinimo procesas pasiekia esamą technologinę ribą. Chemiškai sustiprintas aliumosilikatinis stiklas gali būti laikomas ypač tinkamu, jei dėl konstrukcijos (pvz., šaltai lankstytų plokščių) ar naudojimo reikia didesnio stiprumo [12]. Šviesos pralaidumo ir aplinkos apsaugos funkcijas papildys geros mechaninės savybės, tokios kaip geras atsparumas įbrėžimams ir palyginti aukštas Youngo modulis, palyginti su kitomis kompozituose naudojamomis medžiagomis. Dėl riboto chemiškai grūdinto plono stiklo dydžio, kuriant pirmąjį didelio masto prototipą, buvo naudojamos visiškai grūdinto 3 mm storio natrio kalkių stiklo plokštės.
Atraminė konstrukcija laikoma suformuota kompozicinės plokštės dalimi. Tai paveikia beveik visus atributus. Dėl priedų gamybos metodo tai taip pat yra skaitmeninio gamybos proceso centras. Termoplastikai apdorojami lydant. Tai leidžia naudoti daugybę skirtingų polimerų konkrečioms reikmėms. Pagrindinių elementų topologija gali būti suprojektuota skirtingais akcentais, priklausomai nuo jų funkcijos. Šiuo tikslu formų dizainą galima suskirstyti į keturias dizaino kategorijas: konstrukcinį dizainą, funkcinį dizainą, estetinį dizainą ir gamybos dizainą. Kiekviena kategorija gali turėti skirtingus tikslus, todėl gali atsirasti skirtingų topologijų.
Preliminaraus tyrimo metu buvo patikrintas kai kurių pagrindinių konstrukcijų tinkamumas jų dizainui [11]. Mechaniniu požiūriu trijų periodų minimalus giroskopo šerdies paviršius yra ypač efektyvus. Tai užtikrina aukštą mechaninį atsparumą lenkimui esant santykinai mažoms medžiagų sąnaudoms. Be ląstelių pagrindinių struktūrų, atkuriamų paviršiaus srityse, topologija taip pat gali būti sukurta naudojant kitus formos radimo būdus. Įtempių linijų generavimas yra vienas iš galimų būdų optimizuoti standumą esant mažiausiam įmanomam svoriui [13]. Tačiau korinė struktūra, plačiai naudojama sumuštinių konstrukcijose, buvo naudojama kaip atspirties taškas kuriant gamybos liniją. Ši pagrindinė forma leidžia sparčiai progresuoti gamyboje, ypač naudojant paprastą įrankių juostos programavimą. Jo elgsena sudėtinėse plokštėse buvo plačiai ištirta [14, 15, 16], o išvaizda gali būti įvairiais būdais keičiama parametrizuojant, taip pat gali būti naudojama pradinėms optimizavimo koncepcijoms.
Renkantis polimerą reikia atsižvelgti į daugybę termoplastinių polimerų, priklausomai nuo naudojamo ekstruzijos proceso. Pradiniai preliminarūs nedidelio masto medžiagų tyrimai sumažino polimerų, kurie laikomi tinkamais naudoti fasaduose, skaičių [11]. Polikarbonatas (PC) yra perspektyvus dėl savo atsparumo karščiui, atsparumo UV spinduliams ir didelio standumo. Dėl papildomų techninių ir finansinių investicijų, reikalingų polikarbonato perdirbimui, pirmiesiems prototipams gaminti buvo panaudotas etilenglikoliu modifikuotas polietileno tereftalatas (PETG). Jį ypač lengva apdoroti santykinai žemoje temperatūroje su maža terminio įtempio ir komponentų deformacijos rizika. Čia parodytas prototipas pagamintas iš perdirbto PETG, vadinamo PIPG. Medžiaga buvo iš anksto džiovinama 60 ° C temperatūroje mažiausiai 4 valandas ir perdirbama į granules, kuriose stiklo pluošto kiekis yra 20% [17].
Klijai užtikrina tvirtą polimerinės šerdies struktūros ir plono stiklo dangtelio ryšį. Kai kompozitines plokštes veikia lenkimo apkrovos, klijuojamos jungtys patiria šlyties įtempį. Todėl pirmenybė teikiama kietesniems klijams, kurie gali sumažinti deformaciją. Skaidrūs klijai taip pat padeda užtikrinti aukštą vaizdo kokybę, kai jie klijuojami prie skaidraus stiklo. Kitas svarbus veiksnys renkantis klijus yra pagaminamumas ir integravimas į automatizuotus gamybos procesus. Čia UV kietėjantys klijai su lanksčiu kietėjimo laiku gali labai supaprastinti dangos sluoksnių išdėstymą. Remiantis preliminariais bandymais, buvo išbandyta daugybė klijų, ar jie tinka plonoms stiklo kompozicinėms plokštėms [18]. Loctite® AA 3345™ UV kietėjantis akrilatas [19] pasirodė esąs ypač tinkamas tokiam procesui.
Siekiant pasinaudoti priedų gamybos galimybėmis ir plono stiklo lankstumu, visas procesas buvo sukurtas taip, kad veiktų skaitmeniniu ir parametriniu būdu. Grasshopper naudojama kaip vaizdinė programavimo sąsaja, vengiant sąsajų tarp skirtingų programų. Visos disciplinos (inžinerija, inžinerija ir gamyba) palaikys ir papildys viena kitą viename faile su tiesioginiu operatoriaus atsiliepimu. Šiame tyrimo etape darbo eiga vis dar kuriama ir atitinka 2 paveiksle pavaizduotą modelį. Skirtingus tikslus galima suskirstyti į kategorijas pagal disciplinas.
Nors šiame darbe daugiasluoksnių plokščių gamyba buvo automatizuota, atsižvelgiant į vartotoją orientuotą projektavimą ir paruošimą, atskirų inžinerinių įrankių integravimas ir patvirtinimas nebuvo visiškai įgyvendintas. Remiantis fasado geometrijos parametriniu projektu, galima suprojektuoti pastato išorinį apvalkalą makro lygiu (fasadas) ir mezo (fasado plokštės). Antrame etape inžinerinio grįžtamojo ryšio kilpa siekiama įvertinti užuolaidų sienelių gamybos saugumą ir tinkamumą bei gyvybingumą. Galiausiai gautos plokštės yra paruoštos skaitmeninei gamybai. Programa apdoroja sukurtą pagrindinę struktūrą mašininiu būdu nuskaitomu G kodu ir paruošia ją priedų gamybai, atimtam tolesniam apdorojimui ir stiklo klijavimui.
Projektavimo procesas svarstomas dviem skirtingais lygmenimis. Be to, kad fasadų makro forma turi įtakos kiekvienos sudėtinės plokštės geometrijai, pačios šerdies topologija taip pat gali būti suprojektuota mezo lygiu. Naudojant parametrinį fasado modelį, formą ir išvaizdą galima paveikti pavyzdinėmis fasado sekcijomis, naudojant 3 pav. parodytus slankiklius. Taigi, visą paviršių sudaro vartotojo nustatytas keičiamo dydžio paviršius, kurį galima deformuoti naudojant taškinius pritraukiklius ir modifikuoti nurodant mažiausią ir didžiausią deformacijos laipsnį. Tai suteikia didelį lankstumą projektuojant pastato atitvarus. Tačiau šį laisvės laipsnį riboja techniniai ir gamybos suvaržymai, kuriuos vėliau vaidina inžinerinės dalies algoritmai.
Be viso fasado aukščio ir pločio, nustatomas fasado plokščių padalijimas. Kalbant apie atskiras fasadines plokštes, jas galima tiksliau apibrėžti mezo lygyje. Tai turi įtakos pačios šerdies struktūros topologijai, taip pat stiklo storiui. Šie du kintamieji, taip pat skydo dydis, turi svarbų ryšį su mechaninės inžinerijos modeliavimu. Viso makro ir mezo lygio projektavimas ir tobulinimas gali būti atliktas optimizuojant keturias struktūras, funkcijas, estetiką ir gaminio dizainą. Suteikdami pirmenybę šioms sritims, vartotojai gali sukurti bendrą pastato apvalkalo išvaizdą ir pojūtį.
Projektą palaiko inžinerinė dalis, naudojant grįžtamojo ryšio kilpą. Šiuo tikslu tikslai ir ribinės sąlygos yra apibrėžti optimizavimo kategorijoje, parodytoje 2 pav. Jie suteikia koridorius, kurie yra techniškai įmanomi, fiziškai patikimi ir saugūs inžineriniu požiūriu, o tai turi didelę įtaką projektavimui. Tai yra įvairių įrankių, kuriuos galima tiesiogiai integruoti į Grasshopper, pradžia. Atliekant tolesnius tyrimus, mechanines savybes galima įvertinti naudojant baigtinių elementų analizę (FEM) ar net analitinius skaičiavimus.
Be to, atliekant saulės spinduliuotės tyrimus, matymo linijos analizę ir saulės šviesos trukmės modeliavimą galima įvertinti sudėtinių plokščių poveikį pastatų fizikai. Svarbu per daug neriboti projektavimo proceso greičio, efektyvumo ir lankstumo. Iš esmės čia gauti rezultatai buvo sukurti taip, kad suteiktų papildomos gairės ir parama projektavimo procesui ir nepakeičia išsamios analizės bei pagrindimo projektavimo proceso pabaigoje. Šis strateginis planas sudaro pagrindą tolesniems kategoriškiems tyrimams, siekiant patvirtintų rezultatų. Pavyzdžiui, dar mažai žinoma apie kompozitinių plokščių mechaninį elgesį įvairiomis apkrovos ir atramos sąlygomis.
Kai dizainas ir inžinerija bus baigti, modelis bus paruoštas skaitmeninei gamybai. Gamybos procesas suskirstytas į keturis etapus (4 pav.). Pirma, pagrindinė struktūra buvo papildomai pagaminta naudojant didelio masto robotų 3D spausdinimo įrenginį. Tada paviršius frezuojamas naudojant tą pačią robotizuotą sistemą, kad būtų pagerinta paviršiaus kokybė, reikalinga geram sukibimui. Po frezavimo klijai tepami išilgai šerdies struktūros, naudojant specialiai sukurtą dozavimo sistemą, sumontuotą ant tos pačios robotinės sistemos, kuri naudojama spausdinimo ir frezavimo procesui. Galiausiai stiklas sumontuojamas ir klojamas prieš suklijuotos jungties sukietėjimą UV spinduliais.
Gaminant priedus, apibrėžta pagrindinės struktūros topologija turi būti išversta į CNC mašinų kalbą (GCode). Siekiant vienodų ir aukštos kokybės rezultatų, tikslas yra spausdinti kiekvieną sluoksnį nenukritus ekstruderio antgaliui. Tai apsaugo nuo nepageidaujamo per didelio slėgio judėjimo pradžioje ir pabaigoje. Todėl naudojamam langelio modeliui buvo parašytas nuolatinis trajektorijos generavimo scenarijus. Taip bus sukurta parametrinė ištisinė polilinija su tais pačiais pradžios ir pabaigos taškais, kuri prisitaikys prie pasirinkto skydelio dydžio, korių skaičiaus ir dydžio pagal dizainą. Be to, prieš klojant linijas galima nurodyti tokius parametrus kaip linijos plotis ir linijos aukštis, kad būtų pasiektas norimas pagrindinės konstrukcijos aukštis. Kitas scenarijaus žingsnis yra parašyti G kodo komandas.
Tai atliekama įrašant kiekvieno linijos taško koordinates su papildoma mašinos informacija, pvz., kitomis svarbiomis padėties nustatymo ir išspaudimo apimties valdymo ašimis. Tada gautas G kodas gali būti perkeltas į gamybos mašinas. Šiame pavyzdyje Comau NJ165 pramoninė roboto ranka ant linijinio bėgio naudojama CEAD E25 ekstruderiui valdyti pagal G kodą (5 pav.). Pirmasis prototipas naudojo postindustrinį PETG, kurio stiklo pluošto kiekis buvo 20%. Kalbant apie mechaninius bandymus, tikslinis dydis yra artimas statybų pramonės dydžiui, todėl pagrindinio elemento matmenys yra 1983 × 876 mm su 6 × 4 korio ląstelėmis. 6 mm ir 2 mm aukščio.
Preliminarūs bandymai parodė, kad klijų ir 3D spausdinimo dervos sukibimo stiprumas skiriasi priklausomai nuo paviršiaus savybių. Norėdami tai padaryti, priedų gamybos bandiniai yra klijuojami arba laminuojami ant stiklo ir veikiami tempimo arba šlyties. Preliminariai mechaniniu būdu apdirbant polimero paviršių frezuojant stipris gerokai padidėjo (6 pav.). Be to, jis pagerina šerdies lygumą ir apsaugo nuo defektų, atsirandančių dėl per didelio išspaudimo. Čia naudojamas UV kietėjantis LOCTITE® AA 3345™ [19] akrilatas yra jautrus apdorojimo sąlygoms.
Dėl to dažnai būna didesnis standartinis sukibimo bandinių nuokrypis. Po priedų gamybos šerdies konstrukcija buvo frezuota profilio frezavimo staklėmis. Šiai operacijai reikalingas G kodas automatiškai generuojamas iš įrankių takų, jau sukurtų 3D spausdinimo procesui. Šerdies struktūrą reikia atspausdinti šiek tiek aukščiau nei numatytas šerdies aukštis. Šiame pavyzdyje 18 mm storio šerdies struktūra sumažinta iki 14 mm.
Ši gamybos proceso dalis yra didelis iššūkis visiškam automatizavimui. Klijų naudojimas kelia aukštus reikalavimus mašinų tikslumui ir tikslumui. Pneumatinė dozavimo sistema naudojama klijams tepti išilgai šerdies struktūros. Robotas jį nukreipia išilgai frezavimo paviršiaus pagal nustatytą įrankio kelią. Pasirodo, tradicinį dozavimo antgalį pakeisti šepetėliu yra ypač naudinga. Tai leidžia vienodai paskirstyti mažo klampumo klijus pagal tūrį. Šį kiekį lemia sistemoje esantis slėgis ir roboto greitis. Siekiant didesnio tikslumo ir aukštos sukibimo kokybės, pirmenybė teikiama mažam važiavimo greičiui nuo 200 iki 800 mm/min.
Akrilatas, kurio vidutinis klampumas yra 1500 mPa*s, buvo užteptas ant 6 mm pločio polimerinės šerdies sienelės, naudojant dozavimo šepetėlį, kurio vidinis skersmuo yra 0,84 mm, o šepečio plotis – 5, esant 0,3–0,6 mbar slėgiui. mm. Tada klijai paskirstomi ant pagrindo paviršiaus ir dėl paviršiaus įtempimo susidaro 1 mm storio sluoksnis. Tikslus klijų storio nustatymas dar negali būti automatizuotas. Proceso trukmė yra svarbus kriterijus renkantis klijus. Čia pagamintos pagrindinės konstrukcijos bėgių kelio ilgis yra 26 m, todėl naudojimo laikas yra 30–60 minučių.
Užtepę klijus, įstatykite dvigubo stiklo langą į vietą. Dėl mažo medžiagos storio plonas stiklas jau stipriai deformuojasi dėl savo svorio, todėl turi būti išdėstytas kuo tolygiau. Tam naudojami pneumatiniai stikliniai siurbtukai su laiko dispersiniais siurbtukais. Jis dedamas ant komponento naudojant kraną, o ateityje gali būti dedamas tiesiogiai naudojant robotus. Stiklo plokštė buvo dedama lygiagrečiai šerdies paviršiui ant lipniojo sluoksnio. Dėl lengvesnio svorio papildoma stiklo plokštė (4–6 mm storio) padidina slėgį ant jos.
Rezultatas turėtų būti visiškas stiklo paviršiaus sudrėkimas išilgai šerdies struktūros, kaip galima spręsti iš pradinio matomų spalvų skirtumų vizualinio patikrinimo. Taikymo procesas taip pat gali turėti didelės įtakos galutinio sujungimo kokybei. Suklijuotos stiklo plokštės negali būti judinamos, nes ant stiklo atsiras matomų klijų likučių ir tikrojo klijų sluoksnio defektų. Galiausiai, klijai sukietinami UV spinduliuote, kai bangos ilgis yra 365 nm. Norėdami tai padaryti, UV lempa, kurios galios tankis yra 6 mW/cm2, palaipsniui 60 s perduodama per visą lipnų paviršių.
Čia aptarta lengvų ir pritaikomų plono stiklo kompozicinių plokščių su papildomai pagaminta polimero šerdimi koncepcija skirta naudoti būsimuose fasaduose. Taigi, kompozitinės plokštės turi atitikti taikomus standartus ir atitikti eksploatavimo ribinių būsenų (SLS), ribinio stiprumo ribinių būsenų (ULS) ir saugos reikalavimus. Todėl kompozitinės plokštės turi būti saugios, tvirtos ir pakankamai standžios, kad atlaikytų apkrovas (pvz., paviršiaus apkrovas) be lūžimo ar pernelyg didelės deformacijos. Norint ištirti anksčiau pagamintų plono stiklo kompozitinių plokščių mechaninį atsaką (kaip aprašyta skyriuje Mechaninis bandymas), joms buvo atlikti vėjo apkrovos bandymai, kaip aprašyta kitame poskyryje.
Fizinių bandymų tikslas – ištirti išorinių sienų kompozitinių plokščių mechanines savybes veikiant vėjo apkrovoms. Šiuo tikslu kompozitinės plokštės, sudarytos iš 3 mm storio visiškai grūdinto stiklo išorinio lakšto ir 14 mm storio papildomai pagamintos šerdies (iš PIPG-GF20), buvo pagamintos taip, kaip aprašyta aukščiau, naudojant Henkel Loctite AA 3345 klijus (7 pav. kairėje). )). . Tada kompozicinės plokštės pritvirtinamos prie medinio atraminio rėmo metaliniais varžtais, kurie įsukami per medinį rėmą ir į pagrindinės konstrukcijos šonus. Aplink plokštės perimetrą buvo įdėta 30 varžtų (žr. juodą liniją kairėje 7 pav.), kad būtų kuo tiksliau atkurtos tiesinės atramos aplink perimetrą sąlygos.
Tada bandymo rėmas buvo sandariai uždarytas prie išorinės bandymo sienelės, taikant vėjo slėgį arba vėjo siurbimą už sudėtinės plokštės (7 pav., viršuje dešinėje). Duomenims įrašyti naudojama skaitmeninė koreliacijos sistema (DIC). Norėdami tai padaryti, išorinis kompozitinės plokštės stiklas yra padengtas plonu elastingu lakštu, atspausdintu ant jo su perlamutriniu triukšmo raštu (7 pav., apačioje dešinėje). DIC naudoja dvi kameras, kad fiksuotų santykinę visų matavimo taškų padėtį visame stiklo paviršiuje. Buvo įrašyti du vaizdai per sekundę ir naudojami vertinimui. Slėgis kameroje, apsuptoje kompozitinėmis plokštėmis, ventiliatoriaus pagalba didinamas 1000 Pa žingsniais iki maksimalios 4000 Pa vertės, kad kiekvienas apkrovos lygis būtų palaikomas 10 sekundžių.
Fizinė eksperimento sąranka taip pat vaizduojama skaitiniu modeliu su tais pačiais geometriniais matmenimis. Tam naudojama skaitmeninė programa Ansys Mechanical. Šerdies struktūra buvo geometrinė tinklelis, naudojant SOLID 185 šešiakampius elementus su 20 mm kraštais stiklui ir SOLID 187 tetraedrinius elementus su 3 mm kraštais. Siekiant supaprastinti modeliavimą, šiame tyrimo etape daroma prielaida, kad naudojamas akrilatas idealiai yra standus ir plonas, ir yra apibrėžiamas kaip standus ryšys tarp stiklo ir šerdies medžiagos.
Kompozitinės plokštės tvirtinamos tiesia linija už šerdies ribų, o stiklo plokštę veikia 4000 Pa paviršiaus slėgio apkrova. Nors modeliuojant buvo atsižvelgta į geometrinius netiesiškumus, šiame etape buvo naudojami tik linijiniai medžiagų modeliai. studijuoti. Nors tai yra tinkama prielaida stiklo linijiniam elastiniam atsakui (E = 70 000 MPa), pagal (klampos) polimerinės šerdies medžiagos gamintojo duomenų lapą [17] buvo naudojamas linijinis standumas E = 8245 MPa. dabartinė analizė turėtų būti griežtai apsvarstyta ir bus tiriama būsimuose tyrimuose.
Čia pateikti rezultatai daugiausia vertinami dėl deformacijų esant maksimalioms vėjo apkrovoms iki 4000 Pa (=ˆ4kN/m2). Tam DIC metodu užfiksuoti vaizdai buvo lyginami su skaitmeninio modeliavimo (FEM) rezultatais (8 pav., apačioje dešinėje). Nors idealus bendras įtempis 0 mm su „idealiomis“ linijinėmis atramomis krašto srityje (ty plokštės perimetras) apskaičiuojamas FEM, vertinant DIC reikia atsižvelgti į fizinį krašto srities poslinkį. Taip yra dėl montavimo leistinų nuokrypių ir bandymo rėmo bei jo sandariklių deformacijos. Palyginimui, vidutinis poslinkis krašto srityje (brūkšninė balta linija 8 pav.) buvo atimta iš didžiausio poslinkio plokštės centre. DIC ir FEA nustatyti poslinkiai lyginami 1 lentelėje ir grafiškai pavaizduoti viršutiniame kairiajame 8 pav. kampe.
Keturi taikomi eksperimentinio modelio apkrovos lygiai buvo naudojami kaip vertinimo taškai ir įvertinti FEM. Didžiausias kompozitinės plokštės centrinis poslinkis neapkrautoje būsenoje buvo nustatytas DIC matavimais, kai apkrovos lygis 4000 Pa, esant 2,18 mm. Nors FEA poslinkiai esant mažesnėms apkrovoms (iki 2000 Pa) vis tiek gali tiksliai atkurti eksperimentines vertes, netiesinis deformacijos padidėjimas esant didesnėms apkrovoms negali būti tiksliai apskaičiuotas.
Tačiau tyrimai parodė, kad kompozicinės plokštės gali atlaikyti ekstremalias vėjo apkrovas. Ypač išsiskiria didelis lengvų plokščių tvirtumas. Naudojant analitinius skaičiavimus, pagrįstus Kirchhoff plokščių tiesine teorija [20], 2,18 mm deformacija esant 4000 Pa slėgiui atitinka vienos 12 mm storio stiklo plokštės deformaciją tomis pačiomis ribinėmis sąlygomis. Dėl to stiklo storis (kuris gamyboje sunaudoja daug energijos) šioje kompozitinėje plokštėje gali būti sumažintas iki 2 x 3 mm stiklo, todėl medžiaga sutaupoma 50%. Sumažinus bendrą skydo svorį, surinkimas suteikia papildomų pranašumų. Nors 30 kg sveriančią kompozitinę plokštę gali lengvai tvarkyti du žmonės, tradicinei 50 kg stiklo plokštei reikia techninės pagalbos, kad būtų galima saugiai judėti. Norint tiksliai parodyti mechaninį elgesį, būsimuose tyrimuose reikės išsamesnių skaitmeninių modelių. Baigtinių elementų analizė gali būti dar labiau patobulinta naudojant platesnius netiesinių medžiagų modelius polimerams ir lipnios jungties modeliavimui.
Skaitmeninių procesų kūrimas ir tobulinimas atlieka pagrindinį vaidmenį gerinant ekonominius ir aplinkosaugos rodiklius statybos pramonėje. Be to, plono stiklo naudojimas fasaduose žada sutaupyti energijos ir išteklių bei atveria naujų galimybių architektūrai. Tačiau dėl nedidelio stiklo storio, norint tinkamai sustiprinti stiklą, reikalingi nauji dizaino sprendimai. Todėl šiame straipsnyje pateiktame tyrime nagrinėjama kompozicinių plokščių, pagamintų iš plono stiklo ir surištų sustiprintų 3D spausdintų polimerinių branduolių struktūrų, koncepcija. Visas gamybos procesas nuo projektavimo iki gamybos buvo suskaitmenintas ir automatizuotas. Su Grasshopper pagalba buvo sukurta failų į gamyklą darbo eiga, leidžianti būsimuose fasaduose naudoti plonas stiklo kompozicines plokštes.
Pirmojo prototipo gamyba parodė robotų gamybos galimybes ir iššūkius. Nors adityvinė ir atimtinė gamyba jau yra gerai integruota, visiškai automatizuotas klijų užtepimas ir surinkimas kelia papildomų iššūkių, kuriuos reikia spręsti atliekant būsimus tyrimus. Atlikus preliminarius mechaninius bandymus ir susijusius baigtinių elementų tyrimo modeliavimą, buvo įrodyta, kad lengvos ir plonos stiklo pluošto plokštės užtikrina pakankamą lenkimo standumą, kad jos būtų pritaikytos fasadams, net esant ekstremalioms vėjo apkrovoms. Vykstantys autorių tyrimai toliau tirs skaitmeniniu būdu pagamintų plono stiklo kompozitinių plokščių fasadams galimybes ir parodys jų efektyvumą.
Autoriai nori padėkoti visiems rėmėjams, susijusiems su šiuo moksliniu darbu. Dėka EFRE SAB finansavimo programos, finansuojamos iš Europos Sąjungos fondų dotacijos forma Nr., skirti finansinius išteklius manipuliatoriui su ekstruderiu ir frezavimo įrenginiu įsigyti. 100537005. Be to, AiF-ZIM buvo pripažintas už Glasfur3D tyrimų projekto finansavimą (subsidijos numeris ZF4123725WZ9), bendradarbiaujant su Glaswerkstätten Glas Ahne, kuris suteikė didelę paramą šiam tiriamajam darbui. Galiausiai Friedricho Siemenso laboratorija ir jos bendradarbiai, ypač Felixas Hegewaldas ir studento asistentas Jonathanas Holzerras, pripažįsta techninę pagalbą ir gamybos bei fizinių bandymų įgyvendinimą, kurie buvo šio dokumento pagrindas.
Paskelbimo laikas: 2023-04-04