Выкарыстанне тонкага шкла абяцае выкананне розных задач у будаўнічай галіне. У дадатак да экалагічных пераваг больш эфектыўнага выкарыстання рэсурсаў, архітэктары могуць выкарыстоўваць тонкае шкло для дасягнення новай ступені свабоды дызайну. Грунтуючыся на тэорыі сэндвіча, гнуткае тонкае шкло можа быць аб'яднана з палімерным стрыжнем з адкрытай ячэйкай, надрукаваным на 3D, для атрымання вельмі цвёрдага і лёгкага
кампазітныя элементы. У гэтым артыкуле прадстаўлена даследчая спроба лічбавага вырабу фасадных панэляў з тонкага шкла і кампазітных матэрыялаў з выкарыстаннем прамысловых робатаў. У ім тлумачыцца канцэпцыя алічбоўкі працоўных працэсаў ад завода да завода, уключаючы аўтаматызаванае праектаванне (CAD), праектаванне (CAE) і вытворчасць (CAM). Даследаванне дэманструе працэс параметрычнага праектавання, які забяспечвае бясшвоўную інтэграцыю інструментаў лічбавага аналізу.
Акрамя таго, гэты працэс дэманструе патэнцыял і праблемы лічбавай вытворчасці тонкіх шкляных кампазітных панэляў. Тут тлумачацца некаторыя вытворчыя этапы, якія выконвае прамысловы робат, такія як буйнафарматная адытыўная вытворчасць, механічная апрацоўка паверхні, працэсы склейвання і зборкі. Нарэшце, упершыню глыбокае разуменне механічных уласцівасцей кампазітных панэляў было атрымана шляхам эксперыментальных і лікавых даследаванняў і ацэнкі механічных уласцівасцей кампазітных панэляў пры павярхоўнай нагрузцы. Агульная канцэпцыя лічбавага дызайну і працоўнага працэсу вырабу, а таксама вынікі эксперыментальных даследаванняў ствараюць аснову для далейшай інтэграцыі метадаў вызначэння формы і аналізу, а таксама для правядзення шырокіх механістычных даследаванняў у будучых даследаваннях.
Лічбавыя метады вытворчасці дазваляюць палепшыць вытворчасць шляхам трансфармацыі традыцыйных метадаў і прадастаўлення новых магчымасцей дызайну [1]. Традыцыйныя метады будаўніцтва, як правіла, празмерна выкарыстоўваюць матэрыялы з пункту гледжання кошту, базавай геаметрыі і бяспекі. Пераносячы будаўніцтва на заводы, выкарыстоўваючы модульную зборку і робататэхніку для ўкаранення новых метадаў праектавання, матэрыялы можна выкарыстоўваць эфектыўна без шкоды для бяспекі. Лічбавая вытворчасць дазваляе нам пашырыць наша дызайнерскае ўяўленне, каб ствараць больш разнастайныя, эфектыўныя і амбіцыйныя геаметрычныя формы. У той час як працэсы праектавання і разліку ў значнай ступені алічбаваны, вытворчасць і зборка па-ранейшаму ў асноўным выконваюцца ўручную традыцыйнымі спосабамі. Каб справіцца з усё больш складанымі структурамі свабоднай формы, лічбавыя вытворчыя працэсы становяцца ўсё больш важнымі. Імкненне да свабоды і гібкасці дызайну, асабліва калі гаворка ідзе пра фасады, няўхільна расце. Акрамя візуальнага эфекту, фасады свабоднай формы таксама дазваляюць ствараць больш эфектыўныя канструкцыі, напрыклад, за кошт выкарыстання мембранных эфектаў [2]. Акрамя таго, вялікі патэнцыял лічбавых вытворчых працэсаў заключаецца ў іх эфектыўнасці і магчымасці аптымізацыі дызайну.
У гэтым артыкуле даследуецца, як можна выкарыстоўваць лічбавыя тэхналогіі для распрацоўкі і вытворчасці інавацыйных кампазітных фасадных панэляў, якія складаюцца з палімернага стрыжня, вырабленага з дадаткамі, і злепленых тонкіх шкляных знешніх панэляў. У дадатак да новых архітэктурных магчымасцей, звязаных з выкарыстаннем тонкага шкла, экалагічныя і эканамічныя крытэрыі таксама былі важнымі матывацыямі для выкарыстання меншага колькасці матэрыялу для пабудовы агароджы будынка. Ва ўмовах змянення клімату, дэфіцыту рэсурсаў і росту коштаў на энерганосьбіты ў будучыні шкло трэба выкарыстоўваць разумней. Выкарыстанне тонкага шкла таўшчынёй менш за 2 мм з электроннай прамысловасці робіць фасад лёгкім і зніжае выкарыстанне сыравіны.
Дзякуючы высокай гнуткасці тонкага шкла, яно адкрывае новыя магчымасці для архітэктурнага прымянення і ў той жа час ставіць новыя інжынерныя задачы [3,4,5,6]. У той час як цяперашняя рэалізацыя фасадных праектаў з выкарыстаннем тонкага шкла абмежаваная, тонкае шкло ўсё часцей выкарыстоўваецца ў грамадзянскім будаўніцтве і архітэктурных даследаваннях. У сувязі з высокай здольнасцю тонкага шкла да пругкай дэфармацыі яго выкарыстанне ў фасадах патрабуе ўзмоцненых канструкцыйных рашэнняў [7]. У дадатак да выкарыстання мембраннага эфекту з-за выгнутай геаметрыі [8], момант інэрцыі можа быць павялічаны шматслаёвай структурай, якая складаецца з палімернага стрыжня і злепленага тонкага шклянога вонкавага ліста. Гэты падыход апынуўся перспектыўным з-за выкарыстання цвёрдага празрыстага полікарбанатнага ядра, якое менш шчыльнае, чым шкло. У дадатак да станоўчага механічнага ўздзеяння былі выкананы дадатковыя крытэрыі бяспекі [9].
Падыход у наступным даследаванні заснаваны на той жа канцэпцыі, але з выкарыстаннем адытыўна вырабленага напаўпразрыстага ядра з адкрытымі порамі. Гэта гарантуе больш высокую ступень геаметрычнай свабоды і магчымасці дызайну, а таксама інтэграцыю фізічных функцый будынка [10]. Такія кампазітныя панэлі даказалі асаблівую эфектыўнасць пры механічных выпрабаваннях [11] і абяцаюць паменшыць колькасць выкарыстоўванага шкла да 80%. Гэта дазволіць не толькі скараціць неабходныя рэсурсы, але і значна знізіць вагу панэляў, тым самым павысіўшы эфектыўнасць падканструкцыі. Але новыя формы будаўніцтва патрабуюць і новых форм вытворчасці. Эфектыўныя структуры патрабуюць эфектыўных вытворчых працэсаў. Лічбавы дызайн спрыяе лічбавай вытворчасці. Гэты артыкул працягвае папярэдняе даследаванне аўтара, прадстаўляючы даследаванне лічбавага працэсу вытворчасці тонкіх шкляных кампазітных панэляў для прамысловых робатаў. Асноўная ўвага надаецца алічбоўцы працоўнага працэсу ад файла да завода першых шырокафарматных прататыпаў для павышэння аўтаматызацыі вытворчага працэсу.
Кампазітная панэль (малюнак 1) складаецца з двух тонкіх шкляных накладак, абгорнутых вакол палімернага стрыжня AM. Дзве дэталі злучаюцца клеем. Мэта такой канструкцыі - максімальна эфектыўна размеркаваць нагрузку па ўсёй секцыі. Выгінальныя моманты ствараюць нармальныя напружання ў абалонцы. Бакавыя сілы выклікаюць напружанне зруху ў стрыжні і клеевых злучэннях.
Знешні пласт сэндвіч-канструкцыі выкананы з тонкага шкла. У прынцыпе, будзе выкарыстоўвацца натрыева-сілікатнае шкло. Пры зададзенай таўшчыні < 2 мм працэс тэрмічнай загартоўкі дасягае бягучай тэхналагічнай мяжы. Хімічна ўмацаванае алюмасілікатнае шкло можа лічыцца асабліва прыдатным, калі патрабуецца больш высокая трываласць з-за канструкцыі (напрыклад, панэлі з халодным складаннем) або выкарыстання [12]. Функцыі святлапрапускання і абароны навакольнага асяроддзя будуць дапоўнены добрымі механічнымі ўласцівасцямі, такімі як добрая ўстойлівасць да драпін і адносна высокі модуль Юнга ў параўнанні з іншымі матэрыяламі, якія выкарыстоўваюцца ў кампазітах. З-за абмежаванага памеру, даступнага для хімічна загартаванага тонкага шкла, для стварэння першага буйнамаштабнага прататыпа былі выкарыстаны панэлі з цалкам загартаванага натрыева-вапнавага шкла таўшчынёй 3 мм.
Апорная канструкцыя разглядаецца як фасонная частка кампазітнай панэлі. Амаль усе атрыбуты падвяргаюцца гэтаму ўплыву. Дзякуючы адытыўнаму метаду вытворчасці, ён таксама з'яўляецца цэнтрам лічбавага вытворчага працэсу. Тэрмапласты апрацоўваюцца метадам фьюзинга. Гэта дае магчымасць выкарыстоўваць вялікую колькасць розных палімераў для канкрэтных прымянення. Тапалогія асноўных элементаў можа быць распрацавана з рознымі акцэнтамі ў залежнасці ад іх функцыі. З гэтай мэтай дызайн формы можна падзяліць на наступныя чатыры катэгорыі дызайну: структурны дызайн, функцыянальны дызайн, эстэтычны дызайн і вытворчы дызайн. Кожная катэгорыя можа мець розныя мэты, якія могуць прывесці да розных тапалогій.
У ходзе папярэдняга вывучэння некаторыя з асноўных канструкцый былі правераны на прыдатнасць іх канструкцыі [11]. З механічнага пункту гледжання трохперыядная мінімальная асноўная паверхня гіраскопа асабліва эфектыўная. Гэта забяспечвае высокую механічную ўстойлівасць да выгібу пры адносна нізкім расходзе матэрыялу. У дадатак да ячэістых асноўных структур, прайграных у паверхневых абласцях, тапалогія можа быць таксама створана іншымі метадамі пошуку формы. Стварэнне лініі напружання - адзін з магчымых спосабаў аптымізацыі калянасці пры мінімальна магчымай вазе [13]. Аднак у якасці адпраўной кропкі для распрацоўкі вытворчай лініі была выкарыстаная ячэістая структура, якая шырока выкарыстоўваецца ў сэндвіч-канструкцыях. Гэтая базавая форма вядзе да хуткага прагрэсу ў вытворчасці, асабліва дзякуючы лёгкаму праграмаванню траекторыі інструмента. Яго паводзіны ў кампазітных панэлях былі шырока вывучаны [14, 15, 16], і знешні выгляд можа быць зменены рознымі спосабамі з дапамогай параметрызацыі, а таксама можа выкарыстоўвацца для першапачатковых канцэпцый аптымізацыі.
Ёсць шмат тэрмапластычных палімераў, якія варта ўлічваць пры выбары палімера ў залежнасці ад выкарыстоўванага працэсу экструзіі. Першапачатковыя папярэднія даследаванні невялікіх матэрыялаў скарацілі колькасць палімераў, якія лічацца прыдатнымі для выкарыстання ў фасадах [11]. Полікарбанат (ПК) перспектыўны дзякуючы тэрмаўстойлівасці, устойлівасці да ультрафіялету і высокай калянасці. З-за дадатковых тэхнічных і фінансавых укладанняў, неабходных для апрацоўкі полікарбаната, для вытворчасці першых прататыпаў быў выкарыстаны мадыфікаваны этыленгліколем поліэтылентэрэфталат (PETG). Яго асабліва лёгка апрацоўваць пры адносна нізкіх тэмпературах з нізкім рызыкай цеплавога стрэсу і дэфармацыі кампанентаў. Прататып, паказаны тут, зроблены з перапрацаванага PETG пад назвай PIPG. Матэрыял папярэдне сушылі пры 60°С не менш за 4 ч і перапрацоўвалі ў гранулы з утрыманнем шкловалакна 20% [17].
Клей забяспечвае моцную сувязь паміж структурай палімернага стрыжня і тонкай шкляной вечкам. Калі кампазітныя панэлі падвяргаюцца нагрузкам на выгіб, клеевыя злучэнні падвяргаюцца нагрузцы зруху. Такім чынам, лепш выкарыстоўваць больш цвёрды клей, які можа паменшыць прагін. Празрыстыя клеі таксама дапамагаюць забяспечыць высокую візуальную якасць пры налепванні на празрыстае шкло. Яшчэ адным важным фактарам пры выбары клею з'яўляецца тэхналагічнасць і інтэграцыя ў аўтаматызаваныя вытворчыя працэсы. Тут клеі з ультрафіялетавым отверждением з гнуткім часам отвержденія могуць значна спрасціць пазіцыянаванне слаёў пакрыцця. На падставе папярэдніх выпрабаванняў серыя клеяў была праверана на іх прыдатнасць для тонкіх шкляных кампазітных панэляў [18]. Акрылат Loctite® AA 3345™, які адмацоўваецца УФ [19], апынуўся асабліва прыдатным для наступнага працэсу.
Каб скарыстацца магчымасцямі адытыўнай вытворчасці і гнуткасцю тонкага шкла, увесь працэс быў распрацаваны для лічбавай і параметрычнай працы. Grasshopper выкарыстоўваецца як візуальны інтэрфейс праграмавання, пазбягаючы інтэрфейсаў паміж рознымі праграмамі. Усе дысцыпліны (машынабудаванне, машынабудаванне і вытворчасць) будуць падтрымліваць і дапаўняць адна адну ў адным файле з прамой зваротнай сувяззю ад аператара. На гэтай стадыі даследавання працоўны працэс усё яшчэ знаходзіцца ў стадыі распрацоўкі і адпавядае схеме, паказанай на малюнку 2. Розныя мэты можна згрупаваць па катэгорыях у межах дысцыплін.
Нягледзячы на тое, што вытворчасць сэндвіч-панэляў у гэтай працы была аўтаматызавана з арыентаваным на карыстальніка праектаваннем і падрыхтоўкай вырабу, інтэграцыя і праверка асобных інжынерных інструментаў не былі цалкам рэалізаваны. На аснове параметрычнага праектавання геаметрыі фасада можна спраектаваць знешнюю абалонку будынка на макраўзроўні (фасад) і меза (фасадныя панэлі). На другім этапе цыкл зваротнай сувязі накіраваны на ацэнку бяспекі і прыдатнасці, а таксама жыццяздольнасці вытворчасці навясных сцен. Нарэшце, атрыманыя панэлі гатовыя да лічбавай вытворчасці. Праграма апрацоўвае распрацаваную асноўную структуру ў машыначытальным G-кодзе і рыхтуе яе да адытыўнай вытворчасці, субтрктыўнай пост-апрацоўкі і склейвання шкла.
Працэс праектавання разглядаецца на двух розных узроўнях. Акрамя таго, што макраформа фасадаў уплывае на геаметрыю кожнай кампазітнай панэлі, тапалогія самога ядра таксама можа быць спраектавана на мезаўзроўні. Пры выкарыстанні параметрычнай мадэлі фасада на форму і знешні выгляд можна ўплываць з дапамогай прыкладаў секцый фасада з дапамогай паўзункоў, паказаных на малюнку 3. Такім чынам, агульная паверхня складаецца з вызначанай карыстальнікам маштабаванай паверхні, якую можна дэфармаваць з дапамогай кропкавых аттрактараў і мадыфікаваць з указаннем мінімальнай і максімальнай ступені дэфармацыі. Гэта забяспечвае высокую ступень гнуткасці ў канструкцыі агароджвання будынкаў. Аднак гэтая ступень свабоды абмежаваная тэхнічнымі і вытворчымі абмежаваннямі, якія затым абыгрываюцца алгарытмамі інжынернай часткі.
Акрамя вышыні і шырыні ўсяго фасада, вызначаецца падзел фасадных панэляў. Што тычыцца асобных фасадных панэляў, то іх можна больш дакладна вызначыць на мезаўзроўні. Гэта ўплывае на тапалогію самой асноўнай структуры, а таксама на таўшчыню шкла. Гэтыя дзве зменныя, а таксама памер панэлі, маюць важную сувязь з машынабудаўнічым мадэляваннем. Праектаванне і распрацоўка ўсяго макра- і мезаўзроўню можа ажыццяўляцца з пункту гледжання аптымізацыі ў чатырох катэгорыях структуры, функцый, эстэтыкі і дызайну прадукту. Карыстальнікі могуць стварыць агульны выгляд і адчуванне агароджы будынка, расставіўшы прыярытэты на гэтыя вобласці.
Праект падтрымліваецца інжынернай часткай з дапамогай зваротнай сувязі. З гэтай мэтай мэты і межавыя ўмовы вызначаны ў катэгорыі аптымізацыі, паказанай на мал. 2. Яны забяспечваюць калідоры, якія тэхнічна выканальныя, фізічна надзейныя і бяспечныя для пабудовы з інжынернага пункту гледжання, што аказвае істотны ўплыў на праектаванне. Гэта адпраўная кропка для розных інструментаў, якія можна інтэграваць непасрэдна ў Grasshopper. У далейшых даследаваннях механічныя ўласцівасці можна ацаніць з дапамогай аналізу канечных элементаў (FEM) або нават аналітычных разлікаў.
Акрамя таго, даследаванні сонечнай радыяцыі, аналіз прамой бачнасці і мадэляванне працягласці сонечнага ззяння могуць ацаніць уплыў кампазітных панэляў на будаўнічую фізіку. Важна не занадта абмяжоўваць хуткасць, эфектыўнасць і гнуткасць працэсу праектавання. Такім чынам, вынікі, атрыманыя тут, былі распрацаваны, каб даць дадатковыя рэкамендацыі і падтрымку працэсу праектавання і не з'яўляюцца заменай дэталёвага аналізу і абгрунтавання ў канцы працэсу праектавання. Гэты стратэгічны план закладвае аснову для далейшых катэгарычных даследаванняў для атрымання правераных вынікаў. Напрыклад, яшчэ мала што вядома аб механічных паводзінах кампазітных панэляў пры розных нагрузках і ўмовах падтрымкі.
Пасля завяршэння праектавання і распрацоўкі мадэль гатовая да лічбавай вытворчасці. Вытворчы працэс падзелены на чатыры падэтапы (мал. 4). Па-першае, асноўная структура была дадаткова выраблена з выкарыстаннем буйнамаштабнай рабатызаванай устаноўкі 3D-друку. Затым паверхня фрэзеруецца з дапамогай той жа рабатызаванай сістэмы для паляпшэння якасці паверхні, неабходнай для добрага склейвання. Пасля фрэзеравання клей наносіцца ўздоўж асноўнай структуры з дапамогай спецыяльна распрацаванай сістэмы дазавання, усталяванай на той жа рабатызаванай сістэме, якая выкарыстоўваецца для працэсу друку і фрэзеравання. Нарэшце, шкло ўсталёўваецца і ўкладваецца да УФ-отвержденія злучэння.
Для адытыўнай вытворчасці вызначаная тапалогія асноўнай структуры павінна быць пераведзена на мову машын з ЧПУ (GCode). Каб атрымаць раўнамерныя і якасныя вынікі, мэта складаецца ў тым, каб надрукаваць кожны пласт без адвальвання сопла экструдара. Гэта прадухіляе непажаданы залішні ціск у пачатку і ў канцы руху. Такім чынам, сцэнар бесперапыннай генерацыі траекторыі быў напісаны для выкарыстоўванага шаблону ячэйкі. Гэта створыць параметрычную бесперапынную ломаную лінію з аднолькавымі пачатковай і канчатковай кропкамі, якая адаптуецца да абранага памеру панэлі, колькасці і памеру сот у адпаведнасці з дызайнам. Акрамя таго, перад пракладкай ліній можна задаць такія параметры, як шырыня лініі і вышыня лініі, каб дасягнуць патрэбнай вышыні асноўнай канструкцыі. Наступны крок у скрыпце - напісанне каманд G-кода.
Гэта робіцца шляхам запісу каардынатаў кожнай кропкі на лініі з дадатковай інфармацыяй аб машыне, такой як іншыя адпаведныя восі для пазіцыянавання і кантролю аб'ёму экструзіі. Затым атрыманы G-код можа быць перададзены на вытворчыя машыны. У гэтым прыкладзе рука прамысловага робата Comau NJ165 на лінейнай рэйцы выкарыстоўваецца для кіравання экстрударам CEAD E25 у адпаведнасці з G-кодам (малюнак 5). У першым прататыпе быў выкарыстаны постіндустрыяльны PETG з утрыманнем шкловалакна 20%. З пункту гледжання механічных выпрабаванняў мэтавы памер блізкі да памераў будаўнічай галіны, таму памеры асноўнага элемента складаюць 1983 × 876 мм з сотавымі ячэйкамі 6 × 4. 6 мм і 2 мм вышынёй.
Папярэднія выпрабаванні паказалі, што паміж клеем і смалой для 3D-друку існуе розніца ў трываласці адгезіі ў залежнасці ад уласцівасцей яе паверхні. Для гэтага ўзоры для выпрабаванняў адытыўнай вытворчасці прыляпляюць або ламініруюць да шкла і падвяргаюць расцяжэння або зруху. Пры папярэдняй механічнай апрацоўцы паверхні палімера фрэзераваннем трываласць значна павялічвалася (мал. 6). Акрамя таго, ён паляпшае плоскасць стрыжня і прадухіляе дэфекты, выкліканыя празмернай экструзіяй. Акрылат LOCTITE® AA 3345™ [19], які выкарыстоўваецца тут, адчувальны да ўмоў апрацоўкі.
Гэта часта прыводзіць да больш высокага стандартнага адхілення для тэставых узораў аблігацый. Пасля адытыўнага вырабу структуру стрыжня фрэзеравалі на профільным фрэзерным станку. G-код, неабходны для гэтай аперацыі, аўтаматычна ствараецца з траекторый, ужо створаных для працэсу 3D-друку. Канструкцыя стрыжня павінна быць надрукавана крыху вышэй, чым меркаваная вышыня стрыжня. У гэтым прыкладзе структура стрыжня таўшчынёй 18 мм была паменшана да 14 мм.
Гэтая частка вытворчага працэсу з'яўляецца сур'ёзнай праблемай для поўнай аўтаматызацыі. Выкарыстанне клеяў прад'яўляе высокія патрабаванні да дакладнасці і дакладнасці машын. Пнеўматычная сістэма дазавання выкарыстоўваецца для нанясення клею ўздоўж асноўнай структуры. Ён кіруецца робатам па фрэзернай паверхні ў адпаведнасці з вызначанай траекторыяй інструмента. Аказваецца, асабліва выгадна замяніць традыцыйны наканечнік-дазатар шчоткай. Гэта дазваляе раўнамерна размяркоўваць клеі з нізкай глейкасцю па аб'ёме. Гэтая колькасць вызначаецца ціскам у сістэме і хуткасцю робата. Для большай дакладнасці і высокай якасці склейвання пераважней нізкія хуткасці руху ад 200 да 800 мм/мін.
Акрылат з сярэдняй глейкасцю 1500 мПа*с наносіўся на сценку палімернага стрыжня шырынёй 6 мм з дапамогай дазавальнай шчоткі з унутраным дыяметрам 0,84 мм і шырынёй пэндзля 5 пры ціску ад 0,3 да 0,6 мбар. мм. Затым клей наносіцца на паверхню падкладкі і ўтварае пласт таўшчынёй 1 мм за кошт павярхоўнага нацяжэння. Дакладнае вызначэнне таўшчыні клею пакуль не можа быць аўтаматызавана. Важным крытэрыем выбару клею з'яўляецца працягласць працэсу. Асноўная структура, вырабленая тут, мае даўжыню дарожкі 26 м і, такім чынам, час нанясення ад 30 да 60 хвілін.
Пасля нанясення клею ўсталюеце шклопакет на месца. З-за невялікай таўшчыні матэрыялу тонкае шкло ўжо моцна дэфармуецца ад уласнай вагі і таму павінна размяшчацца як мага раўней. Для гэтага выкарыстоўваюцца пнеўматычныя шкляныя прысоскі з час-дысперснымі прысоскамі. Ён усталёўваецца на кампанент з дапамогай крана, а ў будучыні можа быць усталяваны непасрэдна з дапамогай робатаў. Шкляная пласціна размяшчалася паралельна паверхні ядра на клейкім пласце. З-за меншай вагі дадатковая шкляная пласціна (таўшчынёй ад 4 да 6 мм) павялічвае ціск на яго.
Вынікам павінна быць поўнае змочванне паверхні шкла ўздоўж асноўнай структуры, пра што можна меркаваць з першапачатковага візуальнага агляду бачных каляровых адрозненняў. Працэс нанясення таксама можа аказаць істотны ўплыў на якасць канчатковага злучэння. Пасля злепвання шкляныя панэлі нельга перамяшчаць, бо гэта прывядзе да з'яўлення бачных рэшткаў клею на шкле і дэфектаў самога пласта клею. Нарэшце, клей отверждается УФ-выпраменьваннем з даўжынёй хвалі 365 нм. Для гэтага УФ-лямпай з магутнасцю 6 мВт/см2 паступова праводзяць па ўсёй паверхні клею на працягу 60 с.
Канцэпцыя лёгкіх і наладжвальных тонкіх шкляных кампазітных панэляў з палімерным стрыжнем, вырабленым з дадаткаў, якая абмяркоўваецца тут, прызначана для выкарыстання ў будучых фасадах. Такім чынам, кампазітныя панэлі павінны адпавядаць дзеючым стандартам і патрабаванням да гранічных станаў эксплуатацыі (SLS), гранічных станаў трываласці (ULS) і патрабаванням бяспекі. Такім чынам, кампазітныя панэлі павінны быць бяспечнымі, трывалымі і дастаткова жорсткімі, каб вытрымліваць нагрузкі (напрыклад, нагрузкі на паверхню) без паломак і празмернай дэфармацыі. Каб даследаваць механічную рэакцыю раней вырабленых тонкіх шкляных кампазіцыйных панэляў (як апісана ў раздзеле "Механічныя выпрабаванні"), яны былі падвергнуты выпрабаванням на ветравыя нагрузкі, як апісана ў наступным падраздзеле.
Мэтай фізічных выпрабаванняў з'яўляецца вывучэнне механічных уласцівасцяў кампазітных панэляў вонкавых сцен пры ветравых нагрузках. З гэтай мэтай кампазітныя панэлі, якія складаюцца з вонкавага ліста з поўнага загартаванага шкла таўшчынёй 3 мм і асяродку, вырабленага з дадаткам таўшчынёй 14 мм (з PIPG-GF20), былі выраблены, як апісана вышэй, з выкарыстаннем клею Henkel Loctite AA 3345 (мал. 7 злева). )). . Затым кампазітныя панэлі прымацоўваюцца да драўлянай апорнай рамы металічнымі шрубамі, якія ўкручваюцца праз драўляную раму ў бакі асноўнай канструкцыі. 30 шруб былі размешчаны па перыметры панэлі (гл. чорную лінію злева на мал. 7), каб як мага больш дакладна прайграць лінейныя ўмовы апоры па перыметры.
Затым тэставая рама была прымацавана да знешняй выпрабавальнай сцяны шляхам прымянення ціску ветру або ўсмоктвання ветру за кампазітнай панэллю (малюнак 7, уверсе справа). Для запісу дадзеных выкарыстоўваецца сістэма лічбавай карэляцыі (DIC). Для гэтага вонкавае шкло кампазітнай панэлі пакрываецца тонкім эластычным лістом з нанесеным на яго перламутравым шумавым малюнкам (мал. 7 справа ўнізе). DIC выкарыстоўвае дзве камеры для запісу адноснага становішча ўсіх кропак вымярэння на ўсёй шкляной паверхні. Два выявы ў секунду запісваліся і выкарыстоўваліся для ацэнкі. Ціск у камеры, акружанай кампазітнымі панэлямі, павялічваецца з дапамогай вентылятара з крокам 1000 Па да максімальнага значэння 4000 Па, так што кожны ўзровень нагрузкі падтрымліваецца на працягу 10 секунд.
Фізічная ўстаноўка эксперыменту таксама прадстаўлена лікавай мадэллю з такімі ж геаметрычнымі памерамі. Для гэтага выкарыстоўваецца лікавая праграма Ansys Mechanical. Асноўнай структурай была геаметрычная сетка з выкарыстаннем шасцікутных элементаў SOLID 185 з бакамі 20 мм для шкла і чатырохгранных элементаў SOLID 187 з бакамі 3 мм. Для спрашчэння мадэлявання на гэтай стадыі даследавання мяркуецца, што акрылат, які выкарыстоўваецца, з'яўляецца ідэальна цвёрдым і тонкім і вызначаецца як жорсткая сувязь паміж шклом і матэрыялам асяродку.
Кампазітныя панэлі фіксуюцца па прамой лініі па-за межамі асяродку, а шкляная панэль падвяргаецца павярхоўнай нагрузцы ціску ў 4000 Па. Нягледзячы на тое, што пры мадэляванні ўлічваліся геаметрычныя нелінейнасці, на гэтым этапе выкарыстоўваліся толькі лінейныя матэрыяльныя мадэлі. даследаванне. Нягледзячы на тое, што гэта слушнае дапушчэнне для лінейна-пругкай рэакцыі шкла (E = 70 000 МПа), у адпаведнасці з інструкцыяй вытворцы (вязкапругкага) палімернага матэрыялу стрыжня [17], лінейная калянасць E = 8245 МПа выкарыстоўвалася ў бягучы аналіз павінен быць строга разгледжаны і будзе вывучацца ў будучых даследаваннях.
Прадстаўленыя тут вынікі ацэнены ў асноўным для дэфармацый пры максімальных ветравых нагрузках да 4000 Па (=ˆ4 кН/м2). Для гэтага выявы, запісаныя метадам DIC, параўноўвалі з вынікамі лікавага мадэлявання (FEM) (мал. 8, унізе справа). У той час як ідэальная агульная дэфармацыя 0 мм з «ідэальнымі» лінейнымі апорамі ў краёвай вобласці (г.зн. па перыметры панэлі) разлічваецца ў FEM, пры ацэнцы DIC неабходна ўлічваць фізічнае зрушэнне краёвай вобласці. Гэта звязана з допускамі ўстаноўкі і дэфармацыяй тэставай рамы і яе ўшчыльненняў. Для параўнання, сярэдняе зрушэнне ў краёвай вобласці (пункцірная белая лінія на мал. 8) было аднята ад максімальнага зрушэння ў цэнтры панэлі. Перамяшчэнні, вызначаныя DIC і FEA, параўноўваюцца ў табліцы 1 і паказаны графічна ў левым верхнім куце мал. 8.
Чатыры прыкладныя ўзроўні нагрузкі эксперыментальнай мадэлі былі выкарыстаны ў якасці кантрольных кропак для ацэнкі і ацэнены ў FEM. Максімальнае цэнтральнае зрушэнне кампазітнай пласціны ў ненагружаным стане было вызначана шляхам вымярэнняў DIC пры ўзроўні нагрузкі 4000 Па пры 2,18 мм. У той час як перамяшчэнні FEA пры меншых нагрузках (да 2000 Па) усё яшчэ могуць дакладна прайграваць эксперыментальныя значэнні, нелінейнае павелічэнне дэфармацыі пры больш высокіх нагрузках не можа быць дакладна разлічана.
Аднак даследаванні паказалі, што кампазітныя панэлі вытрымліваюць экстрэмальныя ветравыя нагрузкі. Асабліва вылучаецца высокая калянасць лёгкіх панэляў. Выкарыстоўваючы аналітычныя разлікі, заснаваныя на лінейнай тэорыі пласцін Кірхгофа [20], дэфармацыя 2,18 мм пры 4000 Па адпавядае дэфармацыі адной шкляной пласціны таўшчынёй 12 мм пры тых жа межавых умовах. У выніку таўшчыня шкла (якая з'яўляецца энергаёмістай пры вытворчасці) у гэтай кампазітнай панэлі можа быць зменшана да 2 х 3 мм шкла, што прыводзіць да эканоміі матэрыялу 50%. Зніжэнне агульнай вагі панэлі дае дадатковыя перавагі ў плане зборкі. У той час як кампазітную панэль вагой 30 кг могуць лёгка апрацоўваць два чалавекі, традыцыйная шкляная панэль вагой 50 кг патрабуе тэхнічнай падтрымкі для бяспечнага перамяшчэння. Каб дакладна прадставіць механічныя паводзіны, у будучых даследаваннях спатрэбяцца больш падрабязныя лікавыя мадэлі. Аналіз канечных элементаў можа быць дадаткова палепшаны з дапамогай больш шырокіх мадэляў нелінейных матэрыялаў для палімераў і мадэлявання клеевых сувязяў.
Развіццё і ўдасканаленне лічбавых працэсаў гуляюць ключавую ролю ў паляпшэнні эканамічных і экалагічных паказчыкаў у будаўнічай галіны. Акрамя таго, выкарыстанне тонкага шкла ў фасадах абяцае эканомію энергіі і рэсурсаў і адкрывае новыя магчымасці для архітэктуры. Аднак з-за невялікай таўшчыні шкла неабходныя новыя канструктыўныя рашэнні для адпаведнага ўмацавання шкла. Такім чынам, даследаванне, прадстаўленае ў гэтым артыкуле, даследуе канцэпцыю кампазітных панэляў, вырабленых з тонкага шкла і звязаных армаваных 3D-друкаваных палімерных структур. Увесь вытворчы працэс ад праектавання да вытворчасці быў алічбаваны і аўтаматызаваны. З дапамогай Grasshopper быў распрацаваны працоўны працэс ад файла да завода, які дазваляе выкарыстоўваць тонкія шкляныя кампазітныя панэлі ў будучых фасадах.
Вытворчасць першага прататыпа прадэманстравала магчымасць і праблемы рабатызаванага вытворчасці. У той час як адытыўная і субтрактивная вытворчасць ужо добра інтэграваныя, цалкам аўтаматызаванае нанясенне і зборка клею, у прыватнасці, ствараюць дадатковыя праблемы, якія неабходна вырашыць у будучых даследаваннях. У ходзе папярэдніх механічных выпрабаванняў і звязанага з імі мадэлявання метадам канчатковых элементаў было паказана, што лёгкія і тонкія панэлі са шкловалакна забяспечваюць дастатковую калянасць на выгіб для меркаванага прымянення фасадаў нават ва ўмовах экстрэмальнай ветравай нагрузкі. Даследаванні, якія праводзяцца аўтарамі, будуць далей вывучаць патэнцыял вырабленых у лічбавым выглядзе тонкіх шкляных кампазітных панэляў для фасадаў і прадэманстраваць іх эфектыўнасць.
Аўтары хацелі б падзякаваць усім прыхільнікам, звязаным з гэтай даследчай працай. Дзякуючы праграме фінансавання EFRE SAB, якая фінансуецца з фондаў Еўрапейскага Саюза ў выглядзе гранта № для забеспячэння фінансавых сродкаў для набыцця маніпулятара з экстрударам і фрэзерным прыладай. 100537005. Акрамя таго, AiF-ZIM быў адзначаны за фінансаванне даследчага праекта Glasfur3D (нумар гранта ZF4123725WZ9) у супрацоўніцтве з Glaswerkstätten Glas Ahne, які аказаў значную падтрымку гэтай даследчай працы. Нарэшце, лабараторыя імя Фрыдрыха Сіменса і яе супрацоўнікі, асабліва Фелікс Хегевальд і студэнт-асістэнт Джонатан Холцэр, выказваюць падзяку за тэхнічную падтрымку і ўкараненне вырабу і фізічных выпрабаванняў, якія паслужылі асновай для гэтай працы.
Час публікацыі: 4 жніўня 2023 г