Prototyper af digitalt fremstillede tynde glaskompositfacadepaneler

Brugen af ​​tyndt glas lover at opfylde forskellige opgaver i byggebranchen. Ud over de miljømæssige fordele ved en mere effektiv ressourceanvendelse kan arkitekter bruge tyndt glas til at opnå nye grader af designfrihed. Baseret på sandwich-teorien kan fleksibelt tyndt glas kombineres med en 3D-printet åbencellet polymerkerne for at danne meget stiv og letvægts sammensatte elementer. Denne artikel præsenterer et undersøgende forsøg på digital fremstilling af tynde glaskompositfacadepaneler ved hjælp af industrirobotter. Den forklarer konceptet med digitalisering af arbejdsgange fra fabrik til fabrik, herunder computerstøttet design (CAD), ingeniørarbejde (CAE) og fremstilling (CAM). Undersøgelsen demonstrerer en parametrisk designproces, der muliggør problemfri integration af digitale analyseværktøjer.
Derudover demonstrerer denne proces potentialet og udfordringerne ved digital fremstilling af tynde glaskompositpaneler. Nogle af de fremstillingstrin, som udføres af en industriel robotarm, såsom additiv fremstilling i storformat, overfladebearbejdning, limning og monteringsprocesser, er forklaret her. Endelig er der for første gang opnået en dyb forståelse af de mekaniske egenskaber af kompositpaneler gennem eksperimentelle og numeriske undersøgelser og evaluering af de mekaniske egenskaber af kompositpaneler under overfladebelastning. Det overordnede koncept for digitalt design og fabrikationsarbejdsgang, samt resultaterne af eksperimentelle undersøgelser, giver grundlag for yderligere integration af formdefinition og analysemetoder, samt for at udføre omfattende mekanistiske undersøgelser i fremtidige undersøgelser.
Digitale fremstillingsmetoder giver os mulighed for at forbedre produktionen ved at transformere traditionelle metoder og give nye designmuligheder [1]. Traditionelle byggemetoder har en tendens til at overforbruge materialer med hensyn til omkostninger, grundlæggende geometri og sikkerhed. Ved at flytte byggeriet til fabrikker, bruge modulær præfabrikation og robotteknologi til at implementere nye designmetoder, kan materialer bruges effektivt uden at gå på kompromis med sikkerheden. Digital fremstilling giver os mulighed for at udvide vores designfantasi til at skabe mere forskelligartede, effektive og ambitiøse geometriske former. Mens design- og beregningsprocesserne i vid udstrækning er blevet digitaliseret, foregår fremstilling og montage stadig i vid udstrækning i hånden på traditionelle måder. For at kunne klare stadig mere komplekse friformsstrukturer bliver digitale fremstillingsprocesser stadig vigtigere. Ønsket om frihed og designfleksibilitet, især når det kommer til facader, vokser støt. Udover den visuelle effekt giver friformede facader dig også mulighed for at skabe mere effektive strukturer, for eksempel ved brug af membraneffekter [2]. Derudover ligger det store potentiale ved digitale fremstillingsprocesser i deres effektivitet og muligheden for designoptimering.
Denne artikel undersøger, hvordan digital teknologi kan bruges til at designe og fremstille et innovativt sammensat facadepanel, der består af en additivt fremstillet polymerkerne og limede tynde udvendige glaspaneler. Udover de nye arkitektoniske muligheder, der er forbundet med brugen af ​​tyndt glas, har miljømæssige og økonomiske kriterier også været vigtige bevæggrunde for at bruge mindre materiale til at konstruere klimaskærmen. Med klimaforandringer, ressourceknaphed og stigende energipriser i fremtiden skal glas bruges smartere. Brugen af ​​tyndt glas mindre end 2 mm tykt fra elektronikindustrien gør facaden let og reducerer brugen af ​​råmaterialer.
På grund af den høje fleksibilitet af tyndt glas åbner det nye muligheder for arkitektoniske anvendelser og stiller samtidig nye tekniske udfordringer [3,4,5,6]. Mens den nuværende implementering af facadeprojekter med tyndt glas er begrænset, bliver tyndt glas i stigende grad brugt i civilingeniør- og arkitektstudier. På grund af tyndt glass høje evne til elastisk deformation, kræver dets anvendelse i facader forstærkede strukturelle løsninger [7]. Udover at udnytte membraneffekten på grund af den buede geometri [8] kan inertimomentet også øges ved en flerlagsstruktur bestående af en polymerkerne og en limet tynd glasydre plade. Denne tilgang har vist sig lovende på grund af brugen af ​​en hård gennemsigtig polycarbonatkerne, som er mindre tæt end glas. Ud over den positive mekaniske handling blev yderligere sikkerhedskriterier opfyldt [9].
Fremgangsmåden i den følgende undersøgelse er baseret på det samme koncept, men ved hjælp af en additivt fremstillet åben-pore gennemskinnelig kerne. Dette garanterer en højere grad af geometrisk frihed og designmuligheder, samt integration af bygningens fysiske funktioner [10]. Sådanne kompositpaneler har vist sig at være særligt effektive i mekanisk test [11] og lover at reducere mængden af ​​brugt glas med op til 80 %. Dette vil ikke kun reducere de nødvendige ressourcer, men også reducere vægten af ​​panelerne betydeligt og derved øge effektiviteten af ​​underkonstruktionen. Men nye byggeformer kræver nye produktionsformer. Effektive strukturer kræver effektive fremstillingsprocesser. Digitalt design bidrager til digital fremstilling. Denne artikel fortsætter forfatterens tidligere forskning ved at præsentere en undersøgelse af den digitale fremstillingsproces af tynde glaskompositpaneler til industrirobotter. Fokus er på at digitalisere fil-til-fabrik-workflowet for de første storformatprototyper for at øge automatiseringen af ​​fremstillingsprocessen.
Kompositpanelet (figur 1) består af to tynde glasoverlejringer viklet rundt om en AM-polymerkerne. De to dele er forbundet med lim. Formålet med dette design er at fordele belastningen over hele sektionen så effektivt som muligt. Bøjningsmomenter skaber normale spændinger i skallen. Sidekræfter forårsager forskydningsspændinger i kerne og klæbefuger.
Det ydre lag af sandwichstrukturen er lavet af tyndt glas. I princippet vil der blive brugt soda-kalksilikatglas. Med en måltykkelse < 2 mm når den termiske temperering den nuværende teknologiske grænse. Kemisk forstærket aluminiumsilikatglas kan anses for at være særligt velegnet, hvis der kræves højere styrke på grund af design (f.eks. koldfoldede paneler) eller anvendelse [12]. Lystransmissions- og miljøbeskyttelsesfunktionerne vil blive suppleret med gode mekaniske egenskaber såsom god ridsefasthed og et relativt højt Young's modul sammenlignet med andre materialer, der anvendes i kompositter. På grund af den begrænsede størrelse, der er tilgængelig for kemisk hærdet tyndt glas, blev paneler af fuldt hærdet 3 mm tykt soda-kalkglas brugt til at skabe den første prototype i stor skala.
Den understøttende struktur betragtes som en formet del af kompositpanelet. Næsten alle egenskaber påvirkes af det. Takket være den additive fremstillingsmetode er den også centrum for den digitale fremstillingsproces. Termoplast behandles ved sammensmeltning. Dette gør det muligt at anvende et stort antal forskellige polymerer til specifikke anvendelser. Topologien af ​​hovedelementerne kan udformes med forskellig vægt afhængig af deres funktion. Til dette formål kan formdesign opdeles i følgende fire designkategorier: strukturelt design, funktionelt design, æstetisk design og produktionsdesign. Hver kategori kan have forskellige formål, hvilket kan føre til forskellige topologier.
Under den foreløbige undersøgelse blev nogle af hoveddesignerne testet for egnetheden af ​​deres design [11]. Fra et mekanisk synspunkt er gyroskopets minimumskerneoverflade med tre perioder særlig effektiv. Dette giver høj mekanisk modstand mod bøjning ved et relativt lavt materialeforbrug. Ud over de cellulære grundstrukturer, der gengives i overfladeregionerne, kan topologien også genereres ved hjælp af andre formfindingsteknikker. Stress line generation er en af ​​de mulige måder at optimere stivheden ved den lavest mulige vægt [13]. Imidlertid er bikagestrukturen, der er meget brugt i sandwichkonstruktioner, blevet brugt som udgangspunkt for udviklingen af ​​produktionslinjen. Denne grundlæggende form fører til hurtige fremskridt i produktionen, især gennem nem værktøjsbaneprogrammering. Dens opførsel i kompositpaneler er blevet grundigt undersøgt [14, 15, 16], og udseendet kan ændres på mange måder gennem parameterisering og kan også bruges til indledende optimeringskoncepter.
Der er mange termoplastiske polymerer at overveje, når du vælger en polymer, afhængigt af den anvendte ekstruderingsproces. Indledende forundersøgelser af småskala materialer har reduceret antallet af polymerer, der anses for egnede til brug i facader [11]. Polycarbonat (PC) er lovende på grund af dets varmebestandighed, UV-bestandighed og høje stivhed. På grund af de yderligere tekniske og økonomiske investeringer, der kræves for at behandle polycarbonat, blev ethylenglycol modificeret polyethylenterephthalat (PETG) brugt til at fremstille de første prototyper. Det er særligt nemt at bearbejde ved relativt lave temperaturer med lav risiko for termisk stress og komponentdeformation. Prototypen vist her er lavet af genbrugt PETG kaldet PIPG. Materialet blev foreløbigt tørret ved 60°C i mindst 4 timer og forarbejdet til granulat med et glasfiberindhold på 20 % [17].
Klæbemidlet giver en stærk binding mellem polymerkernestrukturen og det tynde glaslåg. Når kompositplader udsættes for bøjningsbelastninger, udsættes limsamlingerne for forskydningsspændinger. Derfor foretrækkes et hårdere klæbemiddel, som kan reducere afbøjningen. Klare klæbemidler hjælper også med at give høj visuel kvalitet, når de limes til klart glas. En anden vigtig faktor ved valg af lim er fremstillingsevne og integration i automatiserede produktionsprocesser. Her kan UV-hærdende klæbemidler med fleksible hærdetider i høj grad forenkle placeringen af ​​dæklagene. Baseret på foreløbige tests blev en række klæbemidler testet for deres egnethed til tynde glaskompositpaneler [18]. Loctite® AA 3345™ UV-hærdende acrylat [19] viste sig at være særligt velegnet til følgende proces.
For at drage fordel af mulighederne for additiv fremstilling og fleksibiliteten i tyndt glas, blev hele processen designet til at fungere digitalt og parametrisk. Grasshopper bruges som en visuel programmeringsgrænseflade, der undgår grænseflader mellem forskellige programmer. Alle discipliner (teknik, teknik og fremstilling) vil understøtte og supplere hinanden i én fil med direkte feedback fra operatøren. På dette stadie af undersøgelsen er arbejdsgangen stadig under udvikling og følger mønsteret vist i figur 2. De forskellige mål kan grupperes i kategorier inden for discipliner.
Selvom produktionen af ​​sandwichpaneler i dette papir er blevet automatiseret med brugercentreret design og fremstillingsforberedelse, er integrationen og valideringen af ​​individuelle tekniske værktøjer ikke blevet fuldt ud realiseret. Ud fra det parametriske design af facadegeometrien er det muligt at designe bygningens ydre skal på makroniveau (facade) og meso (facadeplader). I det andet trin sigter ingeniørfeedback-sløjfen på at evaluere sikkerheden og egnetheden såvel som levedygtigheden af ​​fremstilling af gardinvægge. Endelig er de resulterende paneler klar til digital produktion. Programmet behandler den udviklede kernestruktur i maskinlæsbar G-kode og forbereder den til additiv fremstilling, subtraktiv efterbehandling og glasbinding.
Designprocessen betragtes på to forskellige niveauer. Ud over at facadernes makroform påvirker geometrien af ​​hvert kompositpanel, kan selve kernens topologi også designes på meso-niveau. Ved brug af en parametrisk facademodel kan formen og udseendet påvirkes af facadeeksemplerne ved hjælp af skyderne vist i figur 3. Den samlede overflade består således af en brugerdefineret skalerbar overflade, der kan deformeres ved hjælp af punktattraktorer og modificeres vha. angivelse af en minimums- og maksimumsgrad af deformation. Dette giver en høj grad af fleksibilitet i udformningen af ​​klimaskærme. Denne grad af frihed er dog begrænset af tekniske og produktionsmæssige begrænsninger, som så spilles op af algoritmerne i den tekniske del.
Ud over hele facadens højde og bredde bestemmes facadepladernes opdeling. Hvad angår individuelle facadeplader, kan de defineres mere præcist på meso-niveau. Dette påvirker topologien af ​​selve kernestrukturen, såvel som glassets tykkelse. Disse to variable, såvel som panelets størrelse, har et vigtigt forhold til maskinteknisk modellering. Designet og udviklingen af ​​hele makro- og meso-niveauet kan optimeres i de fire kategorier struktur, funktion, æstetik og produktdesign. Brugere kan udvikle det overordnede udseende og følelse af klimaskærmen ved at prioritere disse områder.
Projektet er understøttet af ingeniørdelen ved hjælp af en feedback loop. Til dette formål er mål og randbetingelser defineret i optimeringskategorien vist i fig. 2. De giver korridorer, der er teknisk gennemførlige, fysisk forsvarlige og sikre at bygge ud fra et ingeniørmæssigt synspunkt, hvilket har en væsentlig indflydelse på designet. Dette er udgangspunktet for forskellige værktøjer, der kan integreres direkte i Grasshopper. I yderligere undersøgelser kan mekaniske egenskaber evalueres ved hjælp af Finite Element Analysis (FEM) eller endda analytiske beregninger.
Derudover kan solstrålingsundersøgelser, line-of-sight-analyse og solskinsvarighedsmodellering evaluere indvirkningen af ​​kompositpaneler på bygningsfysik. Det er vigtigt ikke at begrænse hastigheden, effektiviteten og fleksibiliteten af ​​designprocessen for meget. Som sådan er de opnåede resultater her designet til at give yderligere vejledning og støtte til designprocessen og er ikke en erstatning for detaljeret analyse og begrundelse i slutningen af ​​designprocessen. Denne strategiske plan lægger grundlaget for yderligere kategorisk forskning for dokumenterede resultater. For eksempel er der endnu lidt kendt om den mekaniske opførsel af kompositpaneler under forskellige belastnings- og støtteforhold.
Når designet og konstruktionen er færdig, er modellen klar til digital produktion. Fremstillingsprocessen er opdelt i fire delfaser (fig. 4). Først blev hovedstrukturen additivt fremstillet ved hjælp af en storstilet robot-3D-printfacilitet. Overfladen fræses derefter ved hjælp af det samme robotsystem for at forbedre den overfladekvalitet, der kræves for en god vedhæftning. Efter fræsning påføres limen langs kernestrukturen ved hjælp af et specialdesignet doseringssystem monteret på det samme robotsystem, som bruges til print- og fræseprocessen. Til sidst monteres og lægges glasset forud for UV-hærdning af den limede fuge.
For additiv fremstilling skal den definerede topologi af den underliggende struktur oversættes til CNC maskinsprog (GCode). For ensartede resultater af høj kvalitet er målet at printe hvert lag uden at ekstruderdysen falder af. Dette forhindrer uønsket overtryk i starten og slutningen af ​​bevægelsen. Derfor blev der skrevet et kontinuerligt banegenereringsscript til det cellemønster, der blev brugt. Dette vil skabe en parametrisk kontinuerlig polylinje med samme start- og slutpunkter, som tilpasser sig den valgte panelstørrelse, antal og størrelse af honeycombs i henhold til design. Derudover kan parametre som liniebredde og liniehøjde angives før lægning af linier for at opnå den ønskede højde af hovedstrukturen. Det næste trin i scriptet er at skrive G-kode kommandoerne.
Dette gøres ved at registrere koordinaterne for hvert punkt på linjen med yderligere maskininformation såsom andre relevante akser til positionering og ekstruderingsvolumenkontrol. Den resulterende G-kode kan derefter overføres til produktionsmaskiner. I dette eksempel bruges en Comau NJ165 industrirobotarm på en lineær skinne til at styre en CEAD E25 ekstruder i henhold til G-koden (Figur 5). Den første prototype brugte postindustriel PETG med et glasfiberindhold på 20%. Med hensyn til mekanisk test er målstørrelsen tæt på byggebranchens størrelse, så hovedelementets dimensioner er 1983 × 876 mm med 6 × 4 honeycomb-celler. 6 mm og 2 mm høj.
Foreløbige test har vist, at der er forskel i klæbestyrke mellem klæbemiddel og 3D-printharpiks afhængigt af dens overfladeegenskaber. For at gøre dette limes eller lamineres prøveemner til additiv fremstilling på glas og udsættes for spænding eller forskydning. Under den foreløbige mekaniske bearbejdning af polymeroverfladen ved fræsning steg styrken betydeligt (fig. 6). Derudover forbedrer det fladheden af ​​kernen og forhindrer defekter forårsaget af overekstrudering. Det UV-hærdelige LOCTITE® AA 3345™ [19] acrylat, der anvendes her, er følsomt over for procesforhold.
Dette resulterer ofte i en højere standardafvigelse for bindingstestprøverne. Efter additiv fremstilling blev kernestrukturen fræset på en profilfræser. Den G-kode, der kræves til denne operation, genereres automatisk fra værktøjsbaner, der allerede er oprettet til 3D-udskrivningsprocessen. Kernestrukturen skal udskrives lidt højere end den tilsigtede kernehøjde. I dette eksempel er den 18 mm tykke kernestruktur blevet reduceret til 14 mm.
Denne del af fremstillingsprocessen er en stor udfordring for fuld automatisering. Brugen af ​​klæbemidler stiller høje krav til maskinernes nøjagtighed og præcision. Det pneumatiske doseringssystem bruges til at påføre klæbemidlet langs kernestrukturen. Den føres af robotten langs fræsefladen i overensstemmelse med den definerede værktøjsbane. Det viser sig, at det er særlig fordelagtigt at erstatte den traditionelle dispenseringsspids med en børste. Dette gør det muligt at dispensere klæbemidler med lav viskositet ensartet efter volumen. Denne mængde bestemmes af trykket i systemet og robottens hastighed. For større præcision og høj limningskvalitet foretrækkes lave kørehastigheder på 200 til 800 mm/min.
Acrylat med en gennemsnitlig viskositet på 1500 mPa*s blev påført væggen af ​​polymerkernen med en bredde på 6 mm under anvendelse af en doseringsbørste med en indre diameter på 0,84 mm og en børstebredde på 5 ved et påført tryk på 0,3 til 0,6 mbar. mm. Klæberen spredes derefter ud over overfladen af ​​underlaget og danner et 1 mm tykt lag på grund af overfladespænding. Den nøjagtige bestemmelse af limtykkelsen kan endnu ikke automatiseres. Processens varighed er et vigtigt kriterium for valg af klæbemiddel. Den her fremstillede kernestruktur har en sporlængde på 26 m og derfor en påføringstid på 30 til 60 minutter.
Efter påføring af klæbemidlet skal du installere termoruden på plads. På grund af materialets lave tykkelse er tyndt glas allerede kraftigt deformeret af sin egen vægt og skal derfor placeres så jævnt som muligt. Hertil anvendes pneumatiske glassugekopper med tidsfordelte sugekopper. Den placeres på komponenten ved hjælp af en kran, og kan i fremtiden placeres direkte ved hjælp af robotter. Glaspladen blev placeret parallelt med overfladen af ​​kernen på det klæbende lag. På grund af den lavere vægt øger en ekstra glasplade (4 til 6 mm tyk) trykket på den.
Resultatet bør være fuldstændig befugtning af glasoverfladen langs kernestrukturen, som det kan bedømmes ud fra en indledende visuel inspektion af synlige farveforskelle. Anvendelsesprocessen kan også have en væsentlig indflydelse på kvaliteten af ​​den endelige limfuge. Når glaspladerne er limet, må de ikke flyttes, da dette vil resultere i synlige klæbemiddelrester på glasset og defekter i selve klæbelaget. Til sidst hærdes limen med UV-stråling ved en bølgelængde på 365 nm. For at gøre dette føres en UV-lampe med en effekttæthed på 6 mW/cm2 gradvist over hele den klæbende overflade i 60 s.
Konceptet med lette og tilpasselige tynde glaskompositpaneler med additivt fremstillet polymerkerne, der diskuteres her, er beregnet til brug i fremtidige facader. Kompositplader skal således overholde gældende standarder og opfylde kravene til driftsgrænsetilstande (SLS), grænseværdier for brudstyrke (ULS) og sikkerhedskrav. Derfor skal kompositpaneler være sikre, stærke og stive nok til at modstå belastninger (såsom overfladebelastninger) uden at gå i stykker eller for stor deformation. For at undersøge den mekaniske respons af tidligere fremstillede tynde glaskompositpaneler (som beskrevet i afsnittet Mekanisk testning), blev de udsat for vindbelastningstest som beskrevet i næste underafsnit.
Formålet med fysisk test er at studere de mekaniske egenskaber af kompositpaneler af ydervægge under vindbelastning. Til dette formål blev kompositpaneler bestående af en 3 mm tyk ydre plade af hærdet glas og en 14 mm tyk additivt fremstillet kerne (fra PIPG-GF20) fremstillet som beskrevet ovenfor under anvendelse af Henkel Loctite AA 3345 klæbemiddel (fig. 7 til venstre). )). . Kompositpanelerne fastgøres derefter til træstøtterammen med metalskruer, der drives gennem trærammen og ind i siderne af hovedstrukturen. 30 skruer blev placeret rundt om panelets omkreds (se den sorte streg til venstre i fig. 7) for at gengive de lineære understøtningsforhold omkring omkredsen så tæt som muligt.
Testrammen blev derefter forseglet til den ydre testvæg ved at påføre vindtryk eller vindsugning bag kompositpanelet (Figur 7, øverst til højre). Et digitalt korrelationssystem (DIC) bruges til at registrere data. For at gøre dette er det ydre glas af kompositpanelet dækket af et tyndt elastisk ark trykt på det med et perlelinjet støjmønster (fig. 7, nederst til højre). DIC bruger to kameraer til at registrere den relative position af alle målepunkter på hele glasoverfladen. To billeder i sekundet blev optaget og brugt til evaluering. Trykket i kammeret, omgivet af kompositpaneler, øges ved hjælp af en ventilator i trin på 1000 Pa op til en maksimal værdi på 4000 Pa, således at hvert belastningsniveau opretholdes i 10 sekunder.
Eksperimentets fysiske opsætning er også repræsenteret af en numerisk model med de samme geometriske dimensioner. Til dette anvendes det numeriske program Ansys Mechanical. Kernestrukturen var geometrisk mesh ved hjælp af SOLID 185 sekskantede elementer med 20 mm sider til glas og SOLID 187 tetraedriske elementer med 3 mm sider. For at forenkle modelleringen antages det på dette stadium af undersøgelsen her, at det anvendte acrylat er ideelt stift og tyndt og defineres som en stiv binding mellem glasset og kernematerialet.
Kompositpanelerne er fastgjort i en lige linje uden for kernen, og glaspanelet udsættes for en overfladetrykbelastning på 4000 Pa. Selvom der blev taget højde for geometriske ulineariteter i modelleringen, blev der kun brugt lineære materialemodeller på dette trin af studere. Selvom dette er en gyldig antagelse for den lineære elastiske respons af glas (E = 70.000 MPa), blev den lineære stivhed E = 8245 MPa ifølge databladet fra producenten af ​​det (viskoelastiske) polymere kernemateriale [17] brugt i den nuværende analyse bør overvejes nøje og vil blive undersøgt i fremtidig forskning.
De her præsenterede resultater vurderes hovedsageligt for deformationer ved maksimale vindbelastninger op til 4000 Pa (=ˆ4kN/m2). Til dette blev billederne optaget ved DIC-metoden sammenlignet med resultaterne af numerisk simulering (FEM) (fig. 8, nederst til højre). Mens en ideel total belastning på 0 mm med "ideelle" lineære understøtninger i kantområdet (dvs. panelomkredsen) beregnes i FEM, skal den fysiske forskydning af kantregionen tages i betragtning ved evaluering af DIC. Dette skyldes installationstolerancer og deformation af testrammen og dens tætninger. Til sammenligning blev den gennemsnitlige forskydning i kantområdet (stiplet hvid linje i fig. 8) trukket fra den maksimale forskydning i midten af ​​panelet. Forskydningerne bestemt af DIC og FEA sammenlignes i tabel 1 og er vist grafisk i det øverste venstre hjørne af fig. 8.
De fire anvendte belastningsniveauer i den eksperimentelle model blev brugt som kontrolpunkter til evaluering og evalueret i FEM. Den maksimale centrale forskydning af kompositpladen i ubelastet tilstand blev bestemt ved DIC-målinger ved et belastningsniveau på 4000 Pa ved 2,18 mm. Mens FEA-forskydninger ved lavere belastninger (op til 2000 Pa) stadig nøjagtigt kan gengive eksperimentelle værdier, kan den ikke-lineære stigning i belastning ved højere belastninger ikke beregnes nøjagtigt.
Undersøgelser har dog vist, at kompositpaneler kan modstå ekstreme vindbelastninger. Den høje stivhed af letvægtspanelerne skiller sig især ud. Ved at bruge analytiske beregninger baseret på den lineære teori for Kirchhoff-plader [20] svarer en deformation på 2,18 mm ved 4000 Pa til deformationen af ​​en enkelt glasplade 12 mm tyk under de samme randbetingelser. Som et resultat kan tykkelsen af ​​glasset (som er energikrævende i produktionen) i dette kompositpanel reduceres til 2 x 3 mm glas, hvilket resulterer i en materialebesparelse på 50 %. Reduktion af panelets samlede vægt giver yderligere fordele med hensyn til montering. Mens et 30 kg kompositpanel nemt kan håndteres af to personer, kræver et traditionelt 50 kg glaspanel teknisk support for at bevæge sig sikkert. For nøjagtigt at repræsentere den mekaniske adfærd, vil der være behov for mere detaljerede numeriske modeller i fremtidige undersøgelser. Finite element-analyse kan forbedres yderligere med mere omfattende ikke-lineære materialemodeller til polymerer og klæbebindingsmodellering.
Udvikling og forbedring af digitale processer spiller en nøglerolle i at forbedre den økonomiske og miljømæssige ydeevne i byggebranchen. Derudover lover brugen af ​​tyndt glas i facader energi- og ressourcebesparelser og åbner op for nye muligheder for arkitektur. Men grundet glassets lille tykkelse er der behov for nye designløsninger for at forstærke glasset tilstrækkeligt. Derfor udforsker undersøgelsen præsenteret i denne artikel konceptet med kompositpaneler lavet af tyndt glas og bundne forstærkede 3D-printede polymerkernestrukturer. Hele produktionsprocessen fra design til produktion er blevet digitaliseret og automatiseret. Med hjælp fra Grasshopper blev der udviklet en fil-til-fabrik arbejdsgang for at muliggøre brugen af ​​tynde glaskompositpaneler i fremtidige facader.
Produktionen af ​​den første prototype demonstrerede gennemførligheden og udfordringerne ved robotfremstilling. Mens additiv og subtraktiv fremstilling allerede er godt integreret, giver fuldautomatisk limpåføring og montering især yderligere udfordringer, der skal løses i fremtidig forskning. Gennem foreløbig mekanisk test og tilhørende finite element research modellering er det blevet vist, at lette og tynde glasfiberpaneler giver tilstrækkelig bøjningsstivhed til deres tilsigtede facadeanvendelser, selv under ekstreme vindbelastningsforhold. Forfatternes igangværende forskning vil yderligere udforske potentialet af digitalt fremstillede tynde glaskompositpaneler til facadeapplikationer og demonstrere deres effektivitet.
Forfatterne vil gerne takke alle støtter forbundet med dette forskningsarbejde. Takket være EFRE SAB-finansieringsprogram finansieret af EU-midler i form af tilskud nr. til at tilvejebringe økonomiske ressourcer til køb af en manipulator med en ekstruder og en fræseanordning. 100537005. Derudover blev AiF-ZIM anerkendt for at finansiere Glasfur3D-forskningsprojektet (bevillingsnummer ZF4123725WZ9) i samarbejde med Glaswerkstätten Glas Ahne, som ydede betydelig støtte til dette forskningsarbejde. Endelig anerkender Friedrich Siemens Laboratory og dets samarbejdspartnere, især Felix Hegewald og studenterassistent Jonathan Holzerr, den tekniske support og implementering af fremstillingen og den fysiske test, der dannede grundlaget for dette papir.