Ohuen lasin käyttö lupaa täyttää erilaisia tehtäviä rakennusteollisuudessa. Resurssien tehokkaamman käytön ympäristöhyötyjen lisäksi arkkitehdit voivat käyttää ohutta lasia saavuttaakseen uusia suunnitteluvapausasteita. Sandwich-teorian perusteella joustava ohut lasi voidaan yhdistää 3D-tulostettuun avosoluiseen polymeeriytimen muodostamaan erittäin jäykkä ja kevyt.
komposiittielementtejä. Tämä artikkeli esittelee tutkimusyrityksen ohuiden lasikomposiittijulkisivupaneelien digitaaliseen valmistukseen teollisuusrobottien avulla. Siinä selitetään tehdas-tehtaiden työnkulkujen digitalisointi, mukaan lukien tietokoneavusteinen suunnittelu (CAD), suunnittelu (CAE) ja valmistus (CAM). Tutkimus esittelee parametrisen suunnitteluprosessin, joka mahdollistaa digitaalisten analyysityökalujen saumattoman integroinnin.
Lisäksi tämä prosessi osoittaa ohuiden lasikomposiittipaneelien digitaalisen valmistuksen mahdollisuudet ja haasteet. Tässä selitetään joitakin teollisen robottikäsivarren suorittamia valmistusvaiheita, kuten suurformaatin lisäainevalmistus, pintatyöstö, liimaus ja kokoonpanoprosessit. Lopuksi ensimmäistä kertaa syvä ymmärrys komposiittilevyjen mekaanisista ominaisuuksista on saatu kokeellisilla ja numeerisilla tutkimuksilla ja arvioimalla komposiittilevyjen mekaanisia ominaisuuksia pintakuormituksen alaisena. Digitaalisen suunnittelun ja valmistuksen työnkulun kokonaiskonsepti sekä kokeellisten tutkimusten tulokset antavat pohjan muodonmäärittely- ja analyysimenetelmien integroimiseksi edelleen sekä laajojen mekanististen tutkimusten tekemiseen tulevissa tutkimuksissa.
Digitaalisten valmistusmenetelmien avulla voimme parantaa tuotantoa muuttamalla perinteisiä menetelmiä ja tarjoamalla uusia suunnittelumahdollisuuksia [1]. Perinteisillä rakennusmenetelmillä on taipumus käyttää liikaa materiaaleja kustannusten, perusgeometrian ja turvallisuuden kannalta. Siirtämällä rakentaminen tehtaille, käyttämällä modulaarista esivalmistusta ja robotiikkaa uusien suunnittelumenetelmien toteuttamiseen, materiaalit voidaan käyttää tehokkaasti turvallisuudesta tinkimättä. Digitaalinen valmistus antaa meille mahdollisuuden laajentaa suunnittelun mielikuvitustamme luodaksemme monipuolisempia, tehokkaampia ja kunnianhimoisempia geometrisia muotoja. Suunnittelu- ja laskentaprosessit on suurelta osin digitalisoitu, mutta valmistus ja kokoonpano tehdään edelleen suurelta osin käsin perinteisin tavoin. Yhä monimutkaisempien vapaamuotoisten rakenteiden ratkaisemiseksi digitaaliset valmistusprosessit ovat yhä tärkeämpiä. Vapauden ja suunnittelun joustavuuden halu varsinkin julkisivuissa kasvaa tasaisesti. Visuaalisen tehosteen lisäksi vapaamuotoiset julkisivut mahdollistavat myös tehokkaampien rakenteiden luomisen esimerkiksi kalvoefektien avulla [2]. Lisäksi digitaalisten valmistusprosessien suuri potentiaali piilee niiden tehokkuudessa ja mahdollisuudessa suunnittelun optimointiin.
Tässä artikkelissa tutkitaan, kuinka digitaalista teknologiaa voidaan käyttää innovatiivisen komposiittijulkisivupaneelin suunnittelussa ja valmistuksessa, joka koostuu lisäaineella valmistetusta polymeeriytimestä ja yhteenliitetyistä ohuista lasista tehdyistä ulkolevyistä. Ohuen lasin käyttöön liittyvien uusien arkkitehtonisten mahdollisuuksien lisäksi ympäristö- ja talouskriteerit ovat olleet tärkeitä motiiveja vähentää materiaalia rakennuksen vaipan rakentamisessa. Ilmastonmuutoksen, resurssien niukkuuden ja tulevaisuuden energiahintojen nousun myötä lasia on käytettävä älykkäämmin. Elektroniikkateollisuuden ohuen, alle 2 mm paksun lasin käyttö tekee julkisivusta kevyen ja vähentää raaka-aineiden käyttöä.
Ohuen lasin suuren joustavuuden ansiosta se avaa uusia mahdollisuuksia arkkitehtonisille sovelluksille ja asettaa samalla uusia suunnitteluhaasteita [3,4,5,6]. Vaikka julkisivuprojektien nykyinen toteutus ohuella lasilla on rajallista, ohutta lasia käytetään yhä enemmän rakennus- ja arkkitehtuuritutkimuksissa. Ohuen lasin korkean elastisen muodonmuutoskyvyn vuoksi sen käyttö julkisivuissa vaatii vahvistettuja rakenneratkaisuja [7]. Kaarevasta geometriasta johtuvan kalvovaikutuksen [8] hyödyntämisen lisäksi hitausmomenttia voidaan lisätä myös monikerroksisella rakenteella, joka koostuu polymeeriytimestä ja liimatusta ohuesta lasista. Tämä lähestymistapa on osoittautunut lupaavaksi kovan läpinäkyvän polykarbonaattiytimen käytön ansiosta, joka on vähemmän tiheä kuin lasi. Positiivisen mekaanisen vaikutuksen lisäksi turvallisuuskriteerit täyttyivät [9].
Seuraavan tutkimuksen lähestymistapa perustuu samaan konseptiin, mutta siinä käytetään lisäaineella valmistettua avohuokosista läpikuultavaa ydintä. Tämä takaa suuremman geometrisen vapauden ja suunnittelumahdollisuudet sekä rakennuksen fyysisten toimintojen integroinnin [10]. Tällaiset komposiittipaneelit ovat osoittautuneet erityisen tehokkaiksi mekaanisissa testeissä [11] ja lupaavat vähentää käytetyn lasin määrää jopa 80 %. Tämä ei ainoastaan vähennä tarvittavia resursseja, vaan myös vähentää merkittävästi paneelien painoa, mikä lisää alustan tehokkuutta. Mutta uudet rakentamismuodot vaativat uusia tuotantomuotoja. Tehokkaat rakenteet edellyttävät tehokkaita valmistusprosesseja. Digitaalinen suunnittelu edistää digitaalista valmistusta. Tämä artikkeli jatkaa kirjoittajan aikaisempaa tutkimusta esittelemällä tutkimuksen ohuiden lasikomposiittipaneelien digitaalisesta valmistusprosessista teollisuusroboteille. Painopiste on ensimmäisten suurikokoisten prototyyppien tiedostosta tehtaalle työnkulun digitalisoinnissa valmistusprosessin automatisoinnin lisäämiseksi.
Komposiittipaneeli (kuva 1) koostuu kahdesta ohuesta lasikerroksesta, jotka on kiedottu AM-polymeeriytimen ympärille. Molemmat osat on liitetty liimalla. Tämän suunnittelun tarkoituksena on jakaa kuorma koko osuudelle mahdollisimman tehokkaasti. Taivutusmomentit synnyttävät kuoreen normaaleja jännityksiä. Sivuvoimat aiheuttavat leikkausjännityksiä ytimessä ja liimaliitoksissa.
Sandwich-rakenteen ulkokerros on ohutta lasia. Periaatteessa käytetään natronkalkkisilikaattilasia. Kun tavoitepaksuus on < 2 mm, lämpökarkaisuprosessi saavuttaa nykyisen teknologisen rajan. Kemiallisesti vahvistettua alumiinisilikaattilasia voidaan pitää erityisen sopivana, jos suunnittelun (esim. kylmätaitetut paneelit) tai käytön vuoksi vaaditaan suurempaa lujuutta [12]. Valonläpäisy- ja ympäristönsuojelutoimintoja täydentävät hyvät mekaaniset ominaisuudet, kuten hyvä naarmuuntumiskestävyys ja suhteellisen korkea Youngin moduuli verrattuna muihin komposiiteissa käytettyihin materiaaleihin. Koska kemiallisesti karkaistun ohuen lasin koko on rajoitettu, ensimmäisen suuren mittakaavan prototyypin luomiseen käytettiin täysin karkaistuja 3 mm paksuisia natronkalkkilasipaneeleja.
Tukirakennetta pidetään komposiittipaneelin muotoiltuna osana. Se vaikuttaa lähes kaikkiin ominaisuuksiin. Additiivisen valmistusmenetelmän ansiosta se on myös digitaalisen valmistusprosessin keskus. Kestomuoveja käsitellään sulattamalla. Tämä mahdollistaa suuren määrän erilaisia polymeerejä tiettyihin sovelluksiin. Pääelementtien topologia voidaan suunnitella eri painotuksin niiden toiminnasta riippuen. Tätä tarkoitusta varten muotosuunnittelu voidaan jakaa seuraaviin neljään suunnittelukategoriaan: rakennesuunnittelu, toiminnallinen suunnittelu, esteettinen suunnittelu ja tuotantosuunnittelu. Jokaisella luokalla voi olla eri tarkoitus, mikä voi johtaa erilaisiin topologioihin.
Esiselvityksen aikana testattiin joidenkin pääsuunnitelmien sopivuutta suunnitteluun [11]. Mekaanisesta näkökulmasta gyroskoopin kolmen jakson vähimmäisytimen pinta on erityisen tehokas. Tämä tarjoaa korkean mekaanisen kestävyyden taivutukselle suhteellisen pienellä materiaalinkulutuksella. Pinta-alueilla toistuvien solujen perusrakenteiden lisäksi topologia voidaan muodostaa myös muilla muodonmääritystekniikoilla. Jännityslinjan luominen on yksi mahdollisista tavoista optimoida jäykkyys pienimmällä mahdollisella painolla [13]. Sandwich-rakenteissa laajalti käytetty kennorakenne on kuitenkin ollut lähtökohtana tuotantolinjan kehittämiselle. Tämä perusmuoto johtaa nopeaan etenemiseen tuotannossa, erityisesti helpon työstöradan ohjelmoinnin avulla. Sen käyttäytymistä komposiittipaneeleissa on tutkittu laajasti [14, 15, 16] ja ulkonäköä voidaan muuttaa monin tavoin parametroimalla ja sitä voidaan käyttää myös alkuoptimointikonsepteihin.
On monia termoplastisia polymeerejä, jotka on otettava huomioon valittaessa polymeeriä käytetystä ekstruusioprosessista riippuen. Pienen mittakaavan materiaalien alustavat esitutkimukset ovat vähentäneet julkisivuissa käytettäviksi katsottujen polymeerien määrää [11]. Polykarbonaatti (PC) on lupaava lämmönkestävyyden, UV-kestävyyden ja korkean jäykkyyden ansiosta. Polykarbonaatin käsittelyyn tarvittavien teknisten ja taloudellisten lisäinvestointien vuoksi ensimmäisten prototyyppien valmistukseen käytettiin etyleeniglykolilla modifioitua polyeteenitereftalaattia (PETG). Se on erityisen helppo työstää suhteellisen alhaisissa lämpötiloissa, jolloin lämpörasituksen ja komponenttien muodonmuutosriski on pieni. Tässä esitetty prototyyppi on valmistettu kierrätetystä PETG:stä nimeltä PIPG. Materiaalia esikuivattiin 60°C:ssa vähintään 4 tuntia ja prosessoitiin rakeiksi, joiden lasikuitupitoisuus oli 20 % [17].
Liima muodostaa vahvan sidoksen polymeeriydinrakenteen ja ohuen lasikannen välille. Kun komposiittilevyihin kohdistuu taivutuskuormituksia, liimaliitokset altistuvat leikkausjännitykselle. Siksi kovempi liima on edullinen ja voi vähentää taipumaa. Kirkkaat liimat auttavat myös takaamaan korkean visuaalisen laadun, kun ne liimataan kirkkaaseen lasiin. Toinen tärkeä tekijä liimaa valittaessa on valmistettavuus ja integrointi automatisoituihin tuotantoprosesseihin. Tässä UV-kovettuvat liimat joustavilla kovettumisajoilla voivat yksinkertaistaa peitekerrosten sijoittamista huomattavasti. Alustavien testien perusteella testattiin sarjan liimojen sopivuutta ohuille lasikomposiittipaneeleille [18]. Loctite® AA 3345™ UV-kovettuva akrylaatti [19] osoittautui erityisen sopivaksi seuraavaan prosessiin.
Hyödyntämään lisäainevalmistuksen mahdollisuuksia ja ohuen lasin joustavuutta koko prosessi suunniteltiin toimimaan digitaalisesti ja parametrisesti. Grasshopperia käytetään visuaalisena ohjelmointiliittymänä välttäen rajapintoja eri ohjelmien välillä. Kaikki tieteenalat (tekniikka, suunnittelu ja valmistus) tukevat ja täydentävät toisiaan yhdessä tiedostossa, jossa käyttäjä antaa suoraa palautetta. Tutkimuksen tässä vaiheessa työnkulku on vielä kehitteillä ja noudattaa kuvan 2 kaavaa. Eri tavoitteet voidaan ryhmitellä kategorioihin tieteenalojen sisällä.
Vaikka sandwich-paneelien tuotanto tässä paperissa on automatisoitu käyttäjälähtöisellä suunnittelulla ja valmistuksen valmistelulla, yksittäisten suunnittelutyökalujen integrointia ja validointia ei ole toteutettu täysin. Julkisivugeometrian parametrisen suunnittelun perusteella on mahdollista suunnitella rakennuksen ulkovaippa makrotasolla (julkisivu) ja meso (julkisivupaneelit). Toisessa vaiheessa suunnittelupalautesilmukka pyrkii arvioimaan verhoseinien valmistuksen turvallisuutta ja soveltuvuutta sekä kannattavuutta. Lopulta saadut paneelit ovat valmiita digitaaliseen tuotantoon. Ohjelma prosessoi kehitetyn ydinrakenteen koneellisesti luettavaksi G-koodiksi ja valmistelee sen additiivista valmistusta, vähentävää jälkikäsittelyä ja lasin liimaamista varten.
Suunnitteluprosessia tarkastellaan kahdella eri tasolla. Sen lisäksi, että julkisivujen makromuoto vaikuttaa jokaisen komposiittipaneelin geometriaan, myös itse ytimen topologia voidaan suunnitella meso-tasolle. Parametrista julkisivumallia käytettäessä muotoon ja ulkonäköön voidaan vaikuttaa esimerkkijulkisivuosuuksilla kuvan 3 liukusäätimillä. Kokonaispinta koostuu siis käyttäjän määrittämästä skaalautuvasta pinnasta, jota voidaan muuttaa muotoa käyttämällä pisteattraktoreita ja muunnella muodonmuutosten vähimmäis- ja enimmäisaste. Tämä tarjoaa suuren joustavuuden rakennusvaipan suunnittelussa. Tätä vapausastetta rajoittavat kuitenkin tekniset ja valmistusrajoitukset, joita sitten tekniikan osan algoritmit toistavat.
Koko julkisivun korkeuden ja leveyden lisäksi määritellään julkisivupaneelien jako. Yksittäiset julkisivupaneelit voidaan määritellä tarkemmin meso-tasolla. Tämä vaikuttaa itse ydinrakenteen topologiaan sekä lasin paksuuteen. Näillä kahdella muuttujalla, kuten myös paneelin koolla, on tärkeä yhteys koneenrakennusmallinnukseen. Koko makro- ja mesotason suunnittelu ja kehittäminen voidaan toteuttaa optimoinnin kannalta neljässä kategoriassa: rakenne, toiminta, estetiikka ja tuotesuunnittelu. Käyttäjät voivat kehittää rakennuksen vaipan yleisilmettä priorisoimalla nämä alueet.
Projektia tukee insinööriosa palautesilmukan avulla. Tätä varten kuvan 2 mukaiseen optimointikategoriaan määritellään tavoitteet ja rajaehdot. Ne tarjoavat käytävät, jotka ovat teknisesti toteutettavissa, fyysisesti kestäviä ja suunnittelun kannalta turvallisia rakentaa, millä on merkittävä vaikutus suunnitteluun. Tämä on lähtökohta erilaisille työkaluille, jotka voidaan integroida suoraan Grasshopperiin. Jatkotutkimuksissa mekaanisia ominaisuuksia voidaan arvioida käyttämällä Finite Element Analysis (FEM) -analyysiä tai jopa analyyttisiä laskelmia.
Lisäksi auringon säteilytutkimuksilla, näköetäisyysanalyysillä ja auringonpaisteen keston mallinnuksella voidaan arvioida komposiittipaneelien vaikutusta rakennusfysiikkaan. On tärkeää, että suunnitteluprosessin nopeutta, tehokkuutta ja joustavuutta ei rajoiteta liikaa. Sellaisenaan tässä saadut tulokset on suunniteltu antamaan lisäopastusta ja -tukea suunnitteluprosessille, eivätkä ne korvaa yksityiskohtaista analyyseja ja perusteluja suunnitteluprosessin lopussa. Tämä strateginen suunnitelma luo perustan kategoriselle jatkotutkimukselle todistettujen tulosten saamiseksi. Esimerkiksi komposiittipaneelien mekaanisesta käyttäytymisestä eri kuormitus- ja tukiolosuhteissa tiedetään vielä vähän.
Kun suunnittelu ja suunnittelu on valmis, malli on valmis digitaaliseen tuotantoon. Valmistusprosessi on jaettu neljään osavaiheeseen (kuva 4). Ensin päärakenne valmistettiin additiivisesti käyttämällä suuren mittakaavan robotti-3D-tulostuslaitosta. Pinta jyrsitään sitten käyttämällä samaa robottijärjestelmää hyvän tarttumisen edellyttämän pinnan laadun parantamiseksi. Jauhamisen jälkeen liima levitetään pitkin ydinrakennetta käyttämällä erityisesti suunniteltua annostelujärjestelmää, joka on asennettu samaan robottijärjestelmään, jota käytetään paino- ja jyrsintäprosessissa. Lopuksi lasi asennetaan ja asetetaan ennen liimatun liitoksen UV-kovettumista.
Additiivista valmistusta varten alla olevan rakenteen määritetty topologia on käännettävä CNC-konekieleksi (GCode). Tasaisen ja laadukkaan lopputuloksen saavuttamiseksi tavoitteena on tulostaa jokainen kerros ilman, että ekstruuderin suutin putoaa. Tämä estää ei-toivotun ylipaineen liikkeen alussa ja lopussa. Siksi käytettävälle solukuviolle kirjoitettiin jatkuva liikeradan luomisskripti. Tämä luo parametrisen jatkuvan polylinen, jolla on samat alku- ja loppupisteet, joka mukautuu valittuun paneelikokoon, kennojen lukumäärään ja kokoon suunnittelun mukaan. Lisäksi parametrit, kuten viivan leveys ja viivan korkeus, voidaan määrittää ennen linjojen asettamista päärakenteen halutun korkeuden saavuttamiseksi. Seuraava vaihe komentosarjassa on kirjoittaa G-koodikomennot.
Tämä tehdään tallentamalla jokaisen rivin pisteen koordinaatit koneen lisätiedoilla, kuten muilla relevanteilla akseleilla paikannusta ja suulakepuristusvoimakkuuden säätöä varten. Tuloksena oleva G-koodi voidaan sitten siirtää tuotantokoneille. Tässä esimerkissä Comau NJ165 teollisuusrobottivartta lineaarisella kiskolla käytetään ohjaamaan CEAD E25 -ekstruuderia G-koodin mukaisesti (kuva 5). Ensimmäisessä prototyypissä käytettiin jälkiteollista PETG:tä, jonka lasikuitupitoisuus oli 20 %. Mekaanisen testauksen osalta tavoitekoko on lähellä rakennusalan kokoa, joten pääelementin mitat ovat 1983 × 876 mm 6 × 4 kennokennolla. 6 mm ja 2 mm korkea.
Alustavat testit ovat osoittaneet, että liiman ja 3D-tulostushartsin tartuntavoimassa on eroa sen pintaominaisuuksien mukaan. Tätä varten additiivinen valmistuskoekappaleet liimataan tai laminoidaan lasiin ja altistetaan jännitykselle tai leikkausvoimalle. Polymeeripinnan mekaanisen esikäsittelyn aikana jauhamalla lujuus kasvoi merkittävästi (kuva 6). Lisäksi se parantaa ytimen tasaisuutta ja ehkäisee ylipursotuksen aiheuttamia vikoja. Tässä käytetty UV-kovettuva LOCTITE® AA 3345™ [19] -akrylaatti on herkkä käsittelyolosuhteille.
Tämä johtaa usein suurempaan keskihajontaan sidostestinäytteisiin. Lisäainevalmistuksen jälkeen ydinrakenne jyrsittiin profiilijyrsinkoneella. Tätä toimintoa varten tarvittava G-koodi luodaan automaattisesti 3D-tulostusprosessia varten jo luoduista työstöradoista. Ydinrakenne on painettava hieman suunniteltua hylsyn korkeutta korkeammalle. Tässä esimerkissä 18 mm paksu ydinrakenne on pienennetty 14 mm:iin.
Tämä osa valmistusprosessia on suuri haaste täydelliselle automaatiolle. Liimojen käyttö asettaa korkeat vaatimukset koneiden tarkkuudelle ja tarkkuudelle. Pneumaattista annostelujärjestelmää käytetään liiman levittämiseen ydinrakennetta pitkin. Robotti ohjaa sitä jyrsintäpintaa pitkin määritellyn työkaluradan mukaisesti. Kävi ilmi, että perinteisen annostelukärjen korvaaminen harjalla on erityisen edullista. Tämä mahdollistaa alhaisen viskositeetin omaavien liimojen annostelun tasaisesti tilavuuden mukaan. Tämä määrä määräytyy järjestelmän paineen ja robotin nopeuden mukaan. Paremman tarkkuuden ja korkean sidoslaadun saavuttamiseksi suositaan alhaisia kulkunopeuksia 200-800 mm/min.
Akrylaattia, jonka keskimääräinen viskositeetti oli 1500 mPa*s, levitettiin 6 mm leveälle polymeeriytimen seinälle käyttämällä annosteluharjaa, jonka sisähalkaisija oli 0,84 mm ja harjan leveys 5 0,3 - 0,6 mbar:n paineessa. mm. Liima levitetään sitten alustan pinnalle ja muodostaa pintajännityksen vuoksi 1 mm paksun kerroksen. Liiman paksuuden tarkkaa määritystä ei voida vielä automatisoida. Prosessin kesto on tärkeä kriteeri liiman valinnassa. Täällä valmistetun ydinrakenteen radan pituus on 26 m ja siten levitysaika 30-60 minuuttia.
Liiman levittämisen jälkeen asenna kaksinkertainen ikkuna paikalleen. Materiaalin alhaisesta paksuudesta johtuen ohut lasi deformoituu jo vahvasti oman painonsa vaikutuksesta ja siksi se on sijoitettava mahdollisimman tasaisesti. Tätä varten käytetään pneumaattisia lasisia imukuppeja, joissa on aikahajotettu imukuppi. Se asetetaan komponentin päälle nosturin avulla, ja tulevaisuudessa se voidaan sijoittaa suoraan robottien avulla. Lasilevy asetettiin liimakerroksen päälle yhdensuuntaisesti ytimen pinnan kanssa. Kevyemmästä painosta johtuen lisälasilevy (paksuus 4-6 mm) lisää siihen kohdistuvaa painetta.
Tuloksena pitäisi olla lasin pinnan täydellinen kastuminen ydinrakennetta pitkin, mikä voidaan päätellä näkyvien värierojen alustavasta silmämääräisestä tarkastuksesta. Levitysprosessilla voi myös olla merkittävä vaikutus lopullisen liimatun liitoksen laatuun. Kun lasilevyt on liimattu, niitä ei saa siirtää, koska se aiheuttaa näkyviä liimajäämiä lasiin ja vikoja varsinaisessa liimakerroksessa. Lopuksi liima kovetetaan UV-säteilyllä aallonpituudella 365 nm. Tätä varten UV-lamppua, jonka tehotiheys on 6 mW/cm2, johdetaan vähitellen koko liimapinnalle 60 sekunnin ajan.
Tässä käsitelty konsepti kevyistä ja mukautettavissa olevista ohuista lasikomposiittipaneeleista, joissa on additiivinen polymeeriydin, on tarkoitettu käytettäväksi tulevaisuuden julkisivuissa. Siksi komposiittipaneelien on täytettävä voimassa olevat standardit ja täytettävä vaatimukset käyttörajatilalle (SLS), murtolujuusrajatilalle (ULS) ja turvallisuusvaatimuksille. Siksi komposiittipaneelien on oltava riittävän turvallisia, lujia ja jäykkiä kestämään kuormituksia (kuten pintakuormituksia) murtumatta tai liiallista muodonmuutosta. Aiemmin valmistettujen ohuiden lasikomposiittipaneelien mekaanisen vasteen tutkimiseksi (kuten on kuvattu Mekaaninen testaus -osiossa), niille tehtiin tuulikuormitustesti seuraavassa alaosassa kuvatulla tavalla.
Fysikaalisen testauksen tarkoituksena on tutkia ulkoseinien komposiittipaneelien mekaanisia ominaisuuksia tuulikuormituksen alaisena. Tätä tarkoitusta varten valmistettiin komposiittipaneelit, jotka koostuivat 3 mm paksusta täyskarkaistusta lasista ja 14 mm paksusta lisäainevalmisteisesta ytimestä (PIPG-GF20:sta), kuten edellä on kuvattu käyttäen Henkel Loctite AA 3345 -liimaa (kuva 7 vasemmalla). )). . Komposiittipaneelit kiinnitetään sitten puurunkoon metalliruuveilla, jotka ajetaan puurungon läpi ja päärakenteen sivuille. Paneelin kehän ympärille asetettiin 30 ruuvia (katso musta viiva vasemmalla kuvassa 7) toistamaan lineaariset tukiolosuhteet kehän ympärillä mahdollisimman tarkasti.
Tämän jälkeen testikehys tiivistettiin ulompaan testiseinään käyttämällä tuulenpainetta tai tuulen imua komposiittipaneelin takana (kuva 7, ylhäällä oikea). Tietojen tallentamiseen käytetään digitaalista korrelaatiojärjestelmää (DIC). Tätä varten komposiittipaneelin ulompi lasi peitetään ohuella joustavalla arkilla, johon on painettu helmiäiskohinakuvio (kuva 7, alhaalla oikealla). DIC käyttää kahta kameraa tallentaakseen kaikkien mittauspisteiden suhteellisen sijainnin koko lasipinnalla. Kaksi kuvaa sekunnissa tallennettiin ja käytettiin arviointiin. Komposiittipaneelien ympäröimän kammion painetta nostetaan puhaltimen avulla 1000 Pa:n portain maksimiarvoon 4000 Pa, jolloin jokainen kuormitustaso säilyy 10 sekunnin ajan.
Kokeen fyysistä asetelmaa edustaa myös numeerinen malli, jolla on samat geometriset mitat. Tätä varten käytetään numeerista ohjelmaa Ansys Mechanical. Ytimen rakenne oli geometrinen verkko, jossa käytettiin SOLID 185 kuusikulmaisia elementtejä 20 mm:n sivuilla lasille ja SOLID 187 tetraedrielementtejä 3 mm:n sivuilla. Mallintamisen yksinkertaistamiseksi tässä tutkimuksen vaiheessa tässä oletetaan, että käytetty akrylaatti on ihanteellisesti jäykkä ja ohut, ja se määritellään jäykäksi sidokseksi lasin ja ydinmateriaalin välillä.
Komposiittipaneelit on kiinnitetty suorassa linjassa sydämen ulkopuolelle ja lasilevyyn kohdistuu 4000 Pa:n pintapainekuormitus. Vaikka mallinnuksessa otettiin huomioon geometriset epälineaarisuudet, käytettiin tässä vaiheessa vain lineaarisia materiaalimalleja. opiskella. Vaikka tämä on pätevä oletus lasin lineaarisen kimmovasteen (E = 70 000 MPa) osalta, (viskoelastisen) polymeerisen ydinmateriaalin valmistajan tietolehden [17] mukaan lineaarista jäykkyyttä E = 8245 MPa käytettiin Nykyistä analyysiä tulee harkita tarkasti ja sitä tullaan tutkimaan tulevassa tutkimuksessa.
Tässä esitetyt tulokset on arvioitu pääasiassa muodonmuutoksille maksimituulikuormituksilla 4000 Pa (=ˆ4kN/m2) asti. Tätä varten DIC-menetelmällä tallennettuja kuvia verrattiin numeerisen simulaation (FEM) tuloksiin (kuva 8, alhaalla oikea). Vaikka FEM:ssä lasketaan ihanteellinen kokonaisvenymä 0 mm "ideaalisilla" lineaarisilla tuilla reuna-alueella (eli paneelin kehällä), reuna-alueen fyysinen siirtymä on otettava huomioon DIC:tä arvioitaessa. Tämä johtuu asennustoleransseista sekä testikehyksen ja sen tiivisteiden muodonmuutoksesta. Vertailun vuoksi keskimääräinen siirtymä reuna-alueella (valkoinen katkoviiva kuvassa 8) vähennettiin paneelin keskiosan enimmäissiirtymästä. DIC:n ja FEA:n määrittämiä siirtymiä verrataan taulukossa 1, ja ne on esitetty graafisesti kuvan 8 vasemmassa yläkulmassa.
Kokeellisen mallin neljää käytettyä kuormitustasoa käytettiin arvioinnin kontrollipisteinä ja arvioitiin FEM:ssä. Komposiittilevyn suurin keskisiirtymä kuormittamattomassa tilassa määritettiin DIC-mittauksilla kuormitustasolla 4000 Pa 2,18 mm:n kohdalla. Vaikka FEA:n siirtymät pienemmillä kuormilla (jopa 2000 Pa) voivat silti toistaa tarkasti kokeelliset arvot, ei-lineaarista venymän kasvua suuremmilla kuormilla ei voida laskea tarkasti.
Tutkimukset ovat kuitenkin osoittaneet, että komposiittipaneelit kestävät äärimmäisiä tuulikuormia. Erityisesti kevyiden paneelien suuri jäykkyys erottuu. Käyttämällä Kirchhoff-levyjen lineaariseen teoriaan [20] perustuvia analyyttisiä laskelmia 2,18 mm:n muodonmuutos 4000 Pa:n paineessa vastaa yksittäisen 12 mm paksun lasilevyn muodonmuutosta samoissa reunaolosuhteissa. Tämän seurauksena lasin paksuus (joka on tuotannossa energiaintensiivinen) tässä komposiittipaneelissa voidaan pienentää 2 x 3 mm lasiksi, jolloin materiaalinsäästö on 50 %. Paneelin kokonaispainon vähentäminen tarjoaa lisäetuja kokoonpanon kannalta. Kun 30 kg:n komposiittipaneelia voi käsitellä helposti kaksi henkilöä, perinteinen 50 kg:n lasipaneeli vaatii teknistä tukea liikkuakseen turvallisesti. Jotta mekaaninen käyttäytyminen voidaan esittää tarkasti, tulevissa tutkimuksissa tarvitaan yksityiskohtaisempia numeerisia malleja. Elementtianalyysiä voidaan edelleen tehostaa laajemmilla epälineaarisilla materiaalimalleilla polymeerien ja liimasidosmallinnuksen avulla.
Digitaalisten prosessien kehittäminen ja parantaminen ovat avainasemassa rakennusalan taloudellisen ja ympäristön suorituskyvyn parantamisessa. Lisäksi ohuen lasin käyttö julkisivuissa lupaa energian ja resurssien säästöjä ja avaa uusia mahdollisuuksia arkkitehtuurille. Lasin pienestä paksuudesta johtuen tarvitaan kuitenkin uusia suunnitteluratkaisuja lasin riittävän vahvistamiseksi. Siksi tässä artikkelissa esitelty tutkimus tutkii ohuesta lasista valmistettujen komposiittipaneelien konseptia ja sidottuvahvisteisia 3D-painettuja polymeeriydinrakenteita. Koko tuotantoprosessi suunnittelusta tuotantoon on digitalisoitu ja automatisoitu. Grasshopperin avulla kehitettiin file-to-factory -työnkulku, joka mahdollistaa ohuiden lasikomposiittipaneelien käytön tulevissa julkisivuissa.
Ensimmäisen prototyypin valmistus osoitti robottivalmistuksen toteutettavuuden ja haasteet. Vaikka additiivinen ja vähentävä valmistus on jo hyvin integroitua, erityisesti täysin automatisoitu liiman levitys ja kokoonpano asettavat lisähaasteita, joihin on vastattava tulevassa tutkimuksessa. Alustavan mekaanisen testauksen ja siihen liittyvän elementtitutkimusmallinnuksen avulla on osoitettu, että kevyet ja ohuet lasikuitupaneelit tarjoavat riittävän taivutusjäykkyyden niille tarkoitettuihin julkisivukäyttöön jopa äärimmäisissä tuulikuormitusolosuhteissa. Kirjoittajien meneillään oleva tutkimus tutkii edelleen digitaalisesti valmistettujen ohuiden lasikomposiittipaneelien mahdollisuuksia julkisivuissa ja osoittaa niiden tehokkuuden.
Kirjoittajat haluavat kiittää kaikkia tähän tutkimustyöhön osallistuneita tukijoita. Kiitos EFRE SAB -rahoitusohjelmasta, joka on rahoitettu Euroopan unionin varoista apurahana nro rahoituksen saamiseksi suulakepuristimella varustetun manipulaattorin ja jyrsintälaitteen hankintaan. 100537005. Lisäksi AiF-ZIM palkittiin Glasfur3D-tutkimusprojektin rahoittamisesta (apurahanumero ZF4123725WZ9) yhteistyössä Glaswerkstätten Glas Ahnen kanssa, joka antoi merkittävää tukea tälle tutkimustyölle. Lopuksi Friedrich Siemens -laboratorio ja sen yhteistyökumppanit, erityisesti Felix Hegewald ja opiskelija-assistentti Jonathan Holzerr, tunnustavat tämän artikkelin perustana olleiden valmistuksen ja fyysisten testausten teknisen tuen ja toteutuksen.
Postitusaika: 04.08.2023