Het gebruik van dun glas belooft verschillende taken in de bouwsector te vervullen. Naast de milieuvoordelen van een efficiënter gebruik van hulpbronnen, kunnen architecten dun glas gebruiken om nieuwe graden van ontwerpvrijheid te bereiken. Gebaseerd op de sandwichtheorie kan flexibel dun glas worden gecombineerd met een 3D-geprinte opencellige polymeerkern om zeer stijf en lichtgewicht glas te vormen
samengestelde elementen. Dit artikel presenteert een verkennende poging tot digitale fabricage van dunne glas-composiet gevelpanelen met behulp van industriële robots. Het legt het concept uit van het digitaliseren van fabrieks-tot-fabrieksworkflows, inclusief computerondersteund ontwerp (CAD), engineering (CAE) en productie (CAM). De studie demonstreert een parametrisch ontwerpproces dat een naadloze integratie van digitale analysetools mogelijk maakt.
Bovendien demonstreert dit proces het potentieel en de uitdagingen van het digitaal vervaardigen van dunne glascomposietpanelen. Enkele productiestappen die door een industriële robotarm worden uitgevoerd, zoals additieve productie op groot formaat, oppervlaktebewerking, lijm- en assemblageprocessen, worden hier uitgelegd. Ten slotte is er voor het eerst een diepgaand inzicht verkregen in de mechanische eigenschappen van composietpanelen door middel van experimentele en numerieke studies en evaluatie van de mechanische eigenschappen van composietpanelen onder oppervlaktebelasting. Het algemene concept van de digitale ontwerp- en fabricageworkflow, evenals de resultaten van experimentele studies, vormen een basis voor verdere integratie van vormdefinitie- en analysemethoden, evenals voor het uitvoeren van uitgebreide mechanistische studies in toekomstige studies.
Digitale productiemethoden stellen ons in staat de productie te verbeteren door traditionele methoden te transformeren en nieuwe ontwerpmogelijkheden te bieden [1]. Traditionele bouwmethoden hebben de neiging om materialen te veel te gebruiken in termen van kosten, basisgeometrie en veiligheid. Door de bouw naar fabrieken te verplaatsen, door gebruik te maken van modulaire prefabricage en robotica om nieuwe ontwerpmethoden te implementeren, kunnen materialen efficiënt worden gebruikt zonder de veiligheid in gevaar te brengen. Digitale productie stelt ons in staat onze ontwerpfantasie uit te breiden om meer diverse, efficiënte en ambitieuze geometrische vormen te creëren. Hoewel de ontwerp- en berekeningsprocessen grotendeels zijn gedigitaliseerd, worden de productie en assemblage nog steeds grotendeels met de hand gedaan op traditionele manieren. Om met steeds complexere vrije-vormstructuren om te kunnen gaan, worden digitale productieprocessen steeds belangrijker. Het verlangen naar vrijheid en ontwerpflexibiliteit, vooral als het om gevels gaat, groeit gestaag. Naast het visuele effect kun je met vrijevormgevels ook efficiëntere constructies creëren, bijvoorbeeld door het gebruik van membraaneffecten [2]. Bovendien ligt het grote potentieel van digitale productieprocessen in hun efficiëntie en de mogelijkheid tot ontwerpoptimalisatie.
Dit artikel onderzoekt hoe digitale technologie kan worden gebruikt voor het ontwerpen en vervaardigen van een innovatief composiet gevelpaneel dat bestaat uit een additief vervaardigde polymeerkern en verlijmde dunne glazen buitenpanelen. Naast de nieuwe architecturale mogelijkheden die gepaard gaan met het gebruik van dun glas, zijn milieu- en economische criteria ook belangrijke motivaties geweest om minder materiaal te gebruiken om de gebouwschil te construeren. Met de klimaatverandering, schaarste van hulpbronnen en stijgende energieprijzen in de toekomst moet glas slimmer worden gebruikt. Het gebruik van dun glas van minder dan 2 mm dik uit de elektronica-industrie maakt de gevel licht en vermindert het gebruik van grondstoffen.
Vanwege de hoge flexibiliteit van dun glas opent het nieuwe mogelijkheden voor architectonische toepassingen en brengt het tegelijkertijd nieuwe technische uitdagingen met zich mee [3,4,5,6]. Hoewel de huidige implementatie van gevelprojecten met dun glas beperkt is, wordt dun glas steeds vaker gebruikt in civieltechnische en architectuurstudies. Vanwege het hoge vermogen van dun glas tot elastische vervorming vereist het gebruik ervan in gevels versterkte structurele oplossingen [7]. Naast het benutten van het membraaneffect als gevolg van de gebogen geometrie [8], kan het traagheidsmoment ook worden vergroot door een meerlaagse structuur bestaande uit een polymeerkern en een gelijmde dunne glazen buitenplaat. Deze aanpak is veelbelovend gebleken dankzij het gebruik van een harde transparante polycarbonaatkern, die minder dicht is dan glas. Naast de positieve mechanische actie werd er ook voldaan aan aanvullende veiligheidscriteria [9].
De aanpak in het volgende onderzoek is gebaseerd op hetzelfde concept, maar maakt gebruik van een additief vervaardigde, doorschijnende kern met open poriën. Dit garandeert een hogere mate van geometrische vrijheid en ontwerpmogelijkheden, evenals de integratie van de fysieke functies van het gebouw [10]. Dergelijke composietpanelen zijn bijzonder effectief gebleken bij mechanische tests [11] en beloven de hoeveelheid glas die wordt gebruikt met wel 80% te verminderen. Dit zal niet alleen de benodigde middelen verminderen, maar ook het gewicht van de panelen aanzienlijk verminderen, waardoor de efficiëntie van de onderconstructie toeneemt. Maar nieuwe vormen van constructie vereisen nieuwe vormen van productie. Efficiënte structuren vereisen efficiënte productieprocessen. Digitaal ontwerp draagt bij aan digitale productie. Dit artikel vervolgt het eerdere onderzoek van de auteur door een onderzoek te presenteren naar het digitale productieproces van dunne glascomposietpanelen voor industriële robots. De focus ligt op het digitaliseren van de file-to-factory workflow van de eerste grootformaat prototypes om de automatisering van het productieproces te vergroten.
Het composietpaneel (Figuur 1) bestaat uit twee dunne glasoverlays die rond een AM-polymeerkern zijn gewikkeld. De twee delen zijn met lijm verbonden. Het doel van dit ontwerp is om de belasting zo efficiënt mogelijk over het gehele traject te verdelen. Buigmomenten veroorzaken normale spanningen in de schaal. Zijdelingse krachten veroorzaken schuifspanningen in de kern- en lijmverbindingen.
De buitenste laag van de sandwichstructuur is gemaakt van dun glas. In principe zal natronkalksilicaatglas worden toegepast. Met een doeldikte < 2 mm bereikt het thermische temperingsproces de huidige technologische limiet. Chemisch versterkt aluminosilicaatglas kan als bijzonder geschikt worden beschouwd als een hogere sterkte vereist is vanwege het ontwerp (bijvoorbeeld koudgevouwen panelen) of het gebruik [12]. De lichttransmissie- en milieubeschermingsfuncties zullen worden aangevuld met goede mechanische eigenschappen zoals goede krasbestendigheid en een relatief hoge Young-modulus in vergelijking met andere materialen die in composieten worden gebruikt. Vanwege de beperkte afmetingen die beschikbaar zijn voor chemisch gehard dun glas, werden panelen van volledig gehard 3 mm dik natronkalkglas gebruikt om het eerste grootschalige prototype te creëren.
De draagconstructie wordt beschouwd als een vormdeel van het composietpaneel. Bijna alle attributen worden erdoor beïnvloed. Dankzij de additive manufacturing-methode is het ook het centrum van het digitale productieproces. Thermoplastische kunststoffen worden verwerkt door smelten. Hierdoor is het mogelijk een groot aantal verschillende polymeren voor specifieke toepassingen te gebruiken. De topologie van de hoofdelementen kan worden ontworpen met verschillende accenten, afhankelijk van hun functie. Voor dit doel kan vormontwerp worden onderverdeeld in de volgende vier ontwerpcategorieën: constructief ontwerp, functioneel ontwerp, esthetisch ontwerp en productieontwerp. Elke categorie kan verschillende doeleinden hebben, wat tot verschillende topologieën kan leiden.
Tijdens het vooronderzoek zijn enkele hoofdontwerpen getoetst op de geschiktheid van hun ontwerp [11]. Vanuit mechanisch oogpunt is het minimale kernoppervlak van de gyroscoop over drie perioden bijzonder effectief. Dit zorgt voor een hoge mechanische buigweerstand bij een relatief laag materiaalverbruik. Naast de cellulaire basisstructuren die in de oppervlaktegebieden worden gereproduceerd, kan de topologie ook worden gegenereerd door andere vormzoektechnieken. Het genereren van spanningslijnen is een van de mogelijke manieren om de stijfheid te optimaliseren bij een zo laag mogelijk gewicht [13]. De honingraatstructuur, die veel wordt toegepast in sandwichconstructies, is echter als uitgangspunt genomen bij de ontwikkeling van de productielijn. Deze basisvorm leidt tot snelle voortgang in de productie, vooral door eenvoudige toolpath-programmering. Het gedrag ervan in composietpanelen is uitgebreid bestudeerd [14, 15, 16] en het uiterlijk kan op veel manieren worden veranderd door parametrisering en kan ook worden gebruikt voor initiële optimalisatieconcepten.
Er zijn veel thermoplastische polymeren waarmee u rekening moet houden bij het kiezen van een polymeer, afhankelijk van het gebruikte extrusieproces. Eerste voorstudies van kleinschalige materialen hebben het aantal polymeren dat geschikt wordt geacht voor gebruik in gevels verminderd [11]. Polycarbonaat (PC) is veelbelovend vanwege de hittebestendigheid, UV-bestendigheid en hoge stijfheid. Vanwege de extra technische en financiële investeringen die nodig zijn om polycarbonaat te verwerken, werd met ethyleenglycol gemodificeerd polyethyleentereftalaat (PETG) gebruikt om de eerste prototypes te produceren. Het is bijzonder eenvoudig te verwerken bij relatief lage temperaturen met een laag risico op thermische spanningen en vervorming van de componenten. Het hier getoonde prototype is gemaakt van gerecycled PETG, PIPG genaamd. Het materiaal werd vooraf minimaal 4 uur gedroogd bij 60°C en verwerkt tot korrels met een glasvezelgehalte van 20% [17].
De lijm zorgt voor een sterke verbinding tussen de polymeerkernstructuur en het dunne glazen deksel. Wanneer composietpanelen worden blootgesteld aan buigbelastingen, worden de lijmverbindingen onderworpen aan schuifspanning. Daarom verdient een hardere lijm de voorkeur en kan doorbuiging verminderen. Heldere lijmen zorgen ook voor een hoge visuele kwaliteit wanneer ze op helder glas worden verlijmd. Een andere belangrijke factor bij de keuze van een lijm is de maakbaarheid en integratie in geautomatiseerde productieprocessen. Hier kunnen UV-uithardende lijmen met flexibele uithardingstijden de positionering van de deklagen aanzienlijk vereenvoudigen. Op basis van voorafgaande tests werd een reeks lijmen getest op hun geschiktheid voor dunne glascomposietpanelen [18]. Loctite® AA 3345™ UV-uithardend acrylaat [19] bleek bijzonder geschikt voor het volgende proces.
Om te profiteren van de mogelijkheden van additive manufacturing en de flexibiliteit van dun glas, werd het hele proces ontworpen om digitaal en parametrisch te werken. Grasshopper wordt gebruikt als een visuele programmeerinterface, waarbij interfaces tussen verschillende programma's worden vermeden. Alle disciplines (engineering, engineering en productie) zullen elkaar in één bestand ondersteunen en aanvullen met directe feedback van de operator. In deze fase van het onderzoek is de workflow nog in ontwikkeling en volgt deze het patroon dat wordt weergegeven in figuur 2. De verschillende doelstellingen kunnen binnen disciplines worden gegroepeerd in categorieën.
Hoewel de productie van sandwichpanelen in dit artikel geautomatiseerd is met een gebruikersgericht ontwerp en fabricagevoorbereiding, is de integratie en validatie van individuele engineeringtools nog niet volledig gerealiseerd. Op basis van het parametrische ontwerp van de gevelgeometrie is het mogelijk om de buitenschil van het gebouw te ontwerpen op macroniveau (gevel) en meso (gevelpanelen). In de tweede stap heeft de technische feedbacklus tot doel de veiligheid, geschiktheid en levensvatbaarheid van de fabricage van vliesgevels te evalueren. Ten slotte zijn de resulterende panelen klaar voor digitale productie. Het programma verwerkt de ontwikkelde kernstructuur in machinaal leesbare G-code en bereidt deze voor op additive manufacturing, subtractieve nabewerking en glasverlijming.
Het ontwerpproces wordt op twee verschillende niveaus bekeken. Naast het feit dat de macrovorm van de gevels de geometrie van elk composietpaneel beïnvloedt, kan de topologie van de kern zelf ook op mesoniveau worden ontworpen. Bij gebruik van een parametrisch gevelmodel kunnen de vorm en het uiterlijk worden beïnvloed door de voorbeeldgevelsecties met behulp van de schuifregelaars weergegeven in Figuur 3. Het totale oppervlak bestaat dus uit een door de gebruiker gedefinieerd schaalbaar oppervlak dat kan worden vervormd met behulp van puntaantrekkers en kan worden aangepast door waarbij een minimale en een maximale mate van vervorming wordt gespecificeerd. Dit zorgt voor een hoge mate van flexibiliteit bij het ontwerp van de gebouwschil. Deze mate van vrijheid wordt echter beperkt door technische en productiebeperkingen, die vervolgens worden bemoeilijkt door de algoritmen in het technische gedeelte.
Naast de hoogte en breedte van de gehele gevel wordt de indeling van de gevelpanelen bepaald. Wat individuele gevelpanelen betreft, kunnen deze op mesoniveau nauwkeuriger worden gedefinieerd. Dit heeft invloed op de topologie van de kernstructuur zelf, evenals op de dikte van het glas. Deze twee variabelen, evenals de grootte van het paneel, hebben een belangrijke relatie met werktuigbouwkundige modellering. Het ontwerp en de ontwikkeling op het gehele macro- en mesoniveau kan qua optimalisatie worden uitgevoerd in de vier categorieën structuur, functie, esthetiek en productontwerp. Gebruikers kunnen het algehele uiterlijk en gevoel van de gebouwschil ontwikkelen door prioriteit te geven aan deze gebieden.
Het project wordt ondersteund door het engineeringgedeelte met behulp van een feedbackloop. Daartoe worden doelen en randvoorwaarden gedefinieerd in de optimalisatiecategorie weergegeven in figuur 2. Ze bieden corridors die technisch haalbaar, fysiek gezond en veilig te bouwen zijn vanuit technisch oogpunt, wat een aanzienlijke impact heeft op het ontwerp. Dit is het uitgangspunt voor diverse tools die direct in Grasshopper geïntegreerd kunnen worden. Bij verder onderzoek kunnen mechanische eigenschappen worden geëvalueerd met behulp van Eindige Elementen Analyse (FEM) of zelfs analytische berekeningen.
Bovendien kunnen onderzoeken naar zonnestraling, gezichtslijnanalyse en modellering van de zonneschijnduur de impact van composietpanelen op de bouwfysica evalueren. Het is belangrijk om de snelheid, efficiëntie en flexibiliteit van het ontwerpproces niet al te veel te beperken. Als zodanig zijn de hier verkregen resultaten bedoeld om extra begeleiding en ondersteuning te bieden aan het ontwerpproces en zijn ze geen vervanging voor gedetailleerde analyse en rechtvaardiging aan het einde van het ontwerpproces. Dit strategisch plan legt de basis voor verder categorisch onderzoek met bewezen resultaten. Er is bijvoorbeeld nog weinig bekend over het mechanisch gedrag van composietpanelen onder verschillende belasting- en ondersteuningsomstandigheden.
Zodra het ontwerp en de engineering voltooid zijn, is het model klaar voor digitale productie. Het productieproces is verdeeld in vier subfasen (Fig. 4). Eerst werd de hoofdstructuur additief vervaardigd met behulp van een grootschalige robotachtige 3D-printfaciliteit. Vervolgens wordt het oppervlak gefreesd met hetzelfde robotsysteem om de oppervlaktekwaliteit die nodig is voor een goede hechting te verbeteren. Na het frezen wordt de lijm langs de kernstructuur aangebracht met behulp van een speciaal ontworpen doseersysteem, gemonteerd op hetzelfde robotsysteem dat wordt gebruikt voor het print- en freesproces. Ten slotte wordt het glas geïnstalleerd en gelegd voordat de lijmverbinding door UV-uitharding wordt uitgehard.
Voor additieve productie moet de gedefinieerde topologie van de onderliggende structuur worden vertaald in CNC-machinetaal (GCode). Voor uniforme resultaten van hoge kwaliteit is het doel om elke laag te printen zonder dat de spuitmond van de extruder eraf valt. Dit voorkomt ongewenste overdruk aan het begin en einde van de beweging. Daarom werd een script voor het genereren van continue trajecten geschreven voor het gebruikte celpatroon. Hierdoor ontstaat een parametrische doorlopende polylijn met dezelfde begin- en eindpunten, die zich aanpast aan de geselecteerde paneelgrootte, het aantal en de grootte van de honingraten volgens het ontwerp. Bovendien kunnen parameters zoals lijnbreedte en lijnhoogte worden gespecificeerd voordat de lijnen worden gelegd om de gewenste hoogte van de hoofdstructuur te bereiken. De volgende stap in het script is het schrijven van de G-code-opdrachten.
Dit wordt gedaan door de coördinaten van elk punt op de lijn vast te leggen met aanvullende machine-informatie, zoals andere relevante assen voor positionering en extrusievolumeregeling. De resulterende G-code kan vervolgens worden overgebracht naar productiemachines. In dit voorbeeld wordt een Comau NJ165 industriële robotarm op een lineaire rail gebruikt om een CEAD E25-extruder aan te sturen volgens de G-code (Figuur 5). Het eerste prototype maakte gebruik van postindustriële PETG met een glasvezelgehalte van 20%. In termen van mechanisch testen ligt de doelgrootte dicht bij de grootte van de bouwsector, dus de afmetingen van het hoofdelement zijn 1983 × 876 mm met 6 × 4 honingraatcellen. 6 mm en 2 mm hoog.
Voorlopige tests hebben aangetoond dat er een verschil in kleefkracht bestaat tussen lijm en 3D-printhars, afhankelijk van de oppervlakte-eigenschappen. Om dit te doen, worden proefmonsters voor additieve productie op glas gelijmd of gelamineerd en onderworpen aan spanning of afschuiving. Tijdens de voorbereidende mechanische bewerking van het polymeeroppervlak door middel van frezen nam de sterkte aanzienlijk toe (Fig. 6). Bovendien verbetert het de vlakheid van de kern en voorkomt het defecten veroorzaakt door overextrusie. Het hier gebruikte UV-uithardende LOCTITE® AA 3345™ [19] acrylaat is gevoelig voor verwerkingsomstandigheden.
Dit resulteert vaak in een hogere standaardafwijking voor de bindingstestmonsters. Na additieve productie werd de kernstructuur op een profielfreesmachine gefreesd. De voor deze bewerking benodigde G-code wordt automatisch gegenereerd op basis van toolpaths die al zijn gemaakt voor het 3D-printproces. De kernstructuur dient iets hoger geprint te worden dan de beoogde kernhoogte. In dit voorbeeld is de 18 mm dikke kernstructuur teruggebracht tot 14 mm.
Dit deel van het productieproces vormt een grote uitdaging voor volledige automatisering. Het gebruik van lijmen stelt hoge eisen aan de nauwkeurigheid en precisie van machines. Het pneumatische doseersysteem wordt gebruikt om de lijm langs de kernstructuur aan te brengen. Het wordt door de robot langs het freesoppervlak geleid volgens het gedefinieerde gereedschapspad. Het blijkt dat het vervangen van de traditionele doseertip door een borstel bijzonder voordelig is. Hierdoor kunnen lijmen met een lage viscositeit gelijkmatig per volume worden gedoseerd. Deze hoeveelheid wordt bepaald door de druk in het systeem en de snelheid van de robot. Voor een grotere nauwkeurigheid en een hoge lijmkwaliteit wordt de voorkeur gegeven aan lage verplaatsingssnelheden van 200 tot 800 mm/min.
Op de wand van de 6 mm brede polymeerkern werd acrylaat met een gemiddelde viscositeit van 1500 mPa*s aangebracht met behulp van een doseerborstel met een binnendiameter van 0,84 mm en een borstelbreedte van 5 bij een uitgeoefende druk van 0,3 tot 0,6 mbar. mm. De lijm wordt vervolgens over het oppervlak van de ondergrond verspreid en vormt door oppervlaktespanning een laag van 1 mm dik. De exacte bepaling van de lijmdikte kan nog niet worden geautomatiseerd. De duur van het proces is een belangrijk criterium bij de keuze van een lijm. De hier geproduceerde kernstructuur heeft een spoorlengte van 26 m en daarmee een verwerkingstijd van 30 tot 60 minuten.
Nadat u de lijm hebt aangebracht, installeert u het raam met dubbele beglazing op zijn plaats. Door de geringe dikte van het materiaal wordt dun glas door zijn eigen gewicht al sterk vervormd en moet het daarom zo gelijkmatig mogelijk worden geplaatst. Hiervoor worden pneumatische glazen zuignappen met in de tijd verspreide zuignappen gebruikt. Het wordt met een kraan op het onderdeel geplaatst en in de toekomst mogelijk ook rechtstreeks met robots. De glasplaat werd evenwijdig aan het oppervlak van de kern op de lijmlaag geplaatst. Door het lagere gewicht verhoogt een extra glasplaat (4 tot 6 mm dik) de druk daarop.
Het resultaat zou een volledige bevochtiging van het glasoppervlak langs de kernstructuur moeten zijn, zoals kan worden beoordeeld op basis van een eerste visuele inspectie van zichtbare kleurverschillen. Het applicatieproces kan ook een aanzienlijke impact hebben op de kwaliteit van de uiteindelijke lijmverbinding. Eenmaal verlijmd mogen de glaspanelen niet meer worden verplaatst, omdat hierdoor zichtbare lijmresten op het glas en defecten in de eigenlijke lijmlaag ontstaan. Tenslotte wordt de lijm uitgehard met UV-straling met een golflengte van 365 nm. Hiervoor wordt een UV-lamp met een vermogensdichtheid van 6 mW/cm2 geleidelijk gedurende 60 s over het gehele lijmoppervlak geleid.
Het hier besproken concept van lichtgewicht en aanpasbare dunne glascomposietpanelen met additief vervaardigde polymeerkern is bedoeld voor gebruik in toekomstige gevels. Composietpanelen moeten dus voldoen aan de toepasselijke normen en voldoen aan de eisen voor servicegrenstoestanden (SLS), uiterste sterktegrenstoestanden (ULS) en veiligheidseisen. Daarom moeten composietpanelen veilig, sterk en stijf genoeg zijn om belastingen (zoals oppervlaktebelastingen) te kunnen weerstaan zonder te breken of overmatige vervorming. Om de mechanische respons van eerder vervaardigde dunne glascomposietpanelen (zoals beschreven in de sectie Mechanisch testen) te onderzoeken, werden ze onderworpen aan windbelastingstests zoals beschreven in de volgende subsectie.
Het doel van fysieke tests is het bestuderen van de mechanische eigenschappen van composietpanelen van buitenmuren onder windbelasting. Daartoe werden composietpanelen bestaande uit een 3 mm dikke buitenplaat van volledig gehard glas en een 14 mm dikke additief vervaardigde kern (van PIPG-GF20) vervaardigd zoals hierboven beschreven met behulp van Henkel Loctite AA 3345 lijm (Fig. 7 links). )). . De composietpanelen worden vervolgens aan het houten draagframe bevestigd met metalen schroeven die door het houten frame en in de zijkanten van de hoofdstructuur worden gedreven. Er werden 30 schroeven rond de omtrek van het paneel geplaatst (zie de zwarte lijn links in Afb. 7) om de lineaire ondersteuningsomstandigheden rond de omtrek zo goed mogelijk te reproduceren.
Het testframe werd vervolgens aan de buitenste testmuur afgedicht door winddruk of windzuiging achter het composietpaneel uit te oefenen (Figuur 7, rechtsboven). Een digitaal correlatiesysteem (DIC) wordt gebruikt om gegevens vast te leggen. Om dit te doen, is het buitenste glas van het composietpaneel bedekt met een dun elastisch vel waarop een parellijnruispatroon is gedrukt (Fig. 7, rechtsonder). DIC gebruikt twee camera's om de relatieve positie van alle meetpunten op het gehele glasoppervlak vast te leggen. Er werden twee beelden per seconde opgenomen en gebruikt voor evaluatie. De druk in de kamer, omgeven door composietpanelen, wordt door middel van een ventilator in stappen van 1000 Pa verhoogd tot een maximale waarde van 4000 Pa, zodat elk belastingsniveau gedurende 10 seconden wordt gehandhaafd.
De fysieke opzet van het experiment wordt ook weergegeven door een numeriek model met dezelfde geometrische afmetingen. Hiervoor wordt het numerieke programma Ansys Mechanical gebruikt. De kernstructuur was een geometrisch gaas met behulp van SOLID 185 zeshoekige elementen met zijden van 20 mm voor glas en SOLID 187 tetraëdrische elementen met zijden van 3 mm. Om de modellering te vereenvoudigen, wordt er in dit stadium van het onderzoek aangenomen dat het gebruikte acrylaat idealiter stijf en dun is, en wordt gedefinieerd als een stijve verbinding tussen het glas en het kernmateriaal.
De composietpanelen worden in een rechte lijn buiten de kern bevestigd en het glaspaneel wordt onderworpen aan een oppervlaktedrukbelasting van 4000 Pa. Hoewel bij de modellering rekening is gehouden met geometrische niet-lineariteiten, zijn in deze fase van de ontwikkeling uitsluitend lineaire materiaalmodellen gebruikt. studie. Hoewel dit een geldige aanname is voor de lineair elastische respons van glas (E = 70.000 MPa), werd volgens het datablad van de fabrikant van het (visco-elastische) polymere kernmateriaal [17] de lineaire stijfheid E = 8245 MPa gebruikt in de huidige analyse moet grondig worden overwogen en zal in toekomstig onderzoek worden bestudeerd.
De hier gepresenteerde resultaten zijn voornamelijk geëvalueerd voor vervormingen bij maximale windbelastingen tot 4000 Pa (=ˆ4kN/m2). Hiervoor werden de beelden opgenomen met de DIC-methode vergeleken met de resultaten van numerieke simulatie (FEM) (Fig. 8, rechtsonder). Terwijl een ideale totale rek van 0 mm met “ideale” lineaire ondersteuningen in het randgebied (dwz de paneelomtrek) wordt berekend in de FEM, moet bij het evalueren van de DIC rekening worden gehouden met de fysieke verplaatsing van het randgebied. Dit komt door installatietoleranties en vervorming van het testframe en zijn afdichtingen. Ter vergelijking werd de gemiddelde verplaatsing in het randgebied (witte stippellijn in figuur 8) afgetrokken van de maximale verplaatsing in het midden van het paneel. De verplaatsingen bepaald door DIC en FEA worden vergeleken in Tabel 1 en grafisch weergegeven in de linkerbovenhoek van Figuur 8.
De vier toegepaste belastingsniveaus van het experimentele model werden gebruikt als controlepunten voor evaluatie en geëvalueerd in de FEM. De maximale centrale verplaatsing van de composietplaat in onbelaste toestand werd bepaald door DIC-metingen bij een belastingsniveau van 4000 Pa bij 2,18 mm. Hoewel FEA-verplaatsingen bij lagere belastingen (tot 2000 Pa) experimentele waarden nog steeds nauwkeurig kunnen reproduceren, kan de niet-lineaire toename van de spanning bij hogere belastingen niet nauwkeurig worden berekend.
Uit onderzoek is echter gebleken dat composietpanelen bestand zijn tegen extreme windbelastingen. Vooral de hoge stijfheid van de lichtgewicht panelen valt op. Met behulp van analytische berekeningen op basis van de lineaire theorie van Kirchhoff-platen [20] komt een vervorming van 2,18 mm bij 4000 Pa overeen met de vervorming van een enkele glasplaat van 12 mm dik onder dezelfde randvoorwaarden. Hierdoor kan de dikte van het glas (wat bij de productie energie-intensief is) in dit composietpaneel worden teruggebracht tot 2 x 3 mm glas, wat een materiaalbesparing oplevert van 50%. Het verminderen van het totale gewicht van het paneel biedt extra voordelen op het gebied van montage. Terwijl een composietpaneel van 30 kg gemakkelijk door twee personen kan worden gehanteerd, heeft een traditioneel glaspaneel van 50 kg technische ondersteuning nodig om veilig te kunnen bewegen. Om het mechanische gedrag nauwkeurig weer te geven, zullen in toekomstige studies meer gedetailleerde numerieke modellen nodig zijn. De eindige-elementenanalyse kan verder worden verbeterd met uitgebreidere niet-lineaire materiaalmodellen voor polymeren en modellering van lijmverbindingen.
De ontwikkeling en verbetering van digitale processen spelen een sleutelrol bij het verbeteren van de economische en ecologische prestaties in de bouwsector. Bovendien belooft het gebruik van dun glas in gevels energie- en hulpbronnenbesparingen en opent het nieuwe mogelijkheden voor de architectuur. Vanwege de kleine dikte van het glas zijn echter nieuwe ontwerpoplossingen nodig om het glas voldoende te versterken. Daarom onderzoekt de in dit artikel gepresenteerde studie het concept van composietpanelen gemaakt van dun glas en gebonden, versterkte 3D-geprinte polymeerkernstructuren. Het gehele productieproces van ontwerp tot productie is gedigitaliseerd en geautomatiseerd. Met de hulp van Grasshopper werd een file-to-factory workflow ontwikkeld om het gebruik van dunne glascomposietpanelen in toekomstige gevels mogelijk te maken.
De productie van het eerste prototype demonstreerde de haalbaarheid en uitdagingen van robotproductie. Hoewel additieve en subtractieve productie al goed geïntegreerd zijn, vormen met name volledig geautomatiseerde lijmtoepassing en -assemblage extra uitdagingen die in toekomstig onderzoek moeten worden aangepakt. Door middel van voorlopige mechanische tests en bijbehorende eindige-elementenonderzoeksmodellen is aangetoond dat lichtgewicht en dunne glasvezelpanelen voldoende buigstijfheid bieden voor de beoogde geveltoepassingen, zelfs onder extreme windbelasting. Het lopende onderzoek van de auteurs zal het potentieel van digitaal vervaardigde dunne glascomposietpanelen voor geveltoepassingen verder onderzoeken en hun effectiviteit aantonen.
De auteurs willen graag alle sympathisanten bedanken die betrokken zijn bij dit onderzoekswerk. Dankzij het EFRE SAB-financieringsprogramma, gefinancierd uit fondsen van de Europese Unie in de vorm van subsidie nr. om financiële middelen te verschaffen voor de aankoop van een manipulator met een extruder en een freesapparaat. 100537005. Bovendien werd AiF-ZIM erkend voor de financiering van het Glasfur3D-onderzoeksproject (subsidienummer ZF4123725WZ9) in samenwerking met Glaswerkstätten Glas Ahne, dat aanzienlijke steun verleende aan dit onderzoekswerk. Ten slotte erkennen het Friedrich Siemens Laboratory en zijn medewerkers, vooral Felix Hegewald en student-assistent Jonathan Holzerr, de technische ondersteuning en implementatie van de fabricage en fysieke testen die de basis vormden voor dit artikel.
Posttijd: 04-aug-2023