L'ús de vidre prim promet complir diverses tasques en la indústria de la construcció. A més dels beneficis ambientals d'un ús més eficient dels recursos, els arquitectes poden utilitzar vidre prim per aconseguir nous graus de llibertat de disseny. Basat en la teoria de l'entrepà, el vidre prim flexible es pot combinar amb un nucli de polímer de cèl·lules obertes imprès en 3D per formar molt rígid i lleuger.
elements compostos. Aquest article presenta un intent exploratori de fabricació digital de panells prims de façana compost de vidre mitjançant robots industrials. Explica el concepte de digitalització dels fluxos de treball de fàbrica a fàbrica, inclosos el disseny assistit per ordinador (CAD), l'enginyeria (CAE) i la fabricació (CAM). L'estudi demostra un procés de disseny paramètric que permet la integració perfecta d'eines d'anàlisi digital.
A més, aquest procés demostra el potencial i els reptes de la fabricació digital de panells compostos de vidre prim. Aquí s'expliquen alguns dels passos de fabricació realitzats per un braç de robot industrial, com ara la fabricació additiva de gran format, el mecanitzat de superfícies, els processos d'encolat i muntatge. Finalment, per primera vegada, s'ha obtingut una comprensió profunda de les propietats mecàniques dels panells compostos mitjançant estudis experimentals i numèrics i l'avaluació de les propietats mecàniques dels panells compostos sota càrrega superficial. El concepte general del flux de treball de disseny i fabricació digital, així com els resultats dels estudis experimentals, proporcionen una base per a una major integració dels mètodes d'anàlisi i definició de formes, així com per a la realització d'estudis mecànics amplis en estudis futurs.
Els mètodes de fabricació digital ens permeten millorar la producció transformant els mètodes tradicionals i oferint noves possibilitats de disseny [1]. Els mètodes de construcció tradicionals solen fer un ús excessiu dels materials en termes de cost, geometria bàsica i seguretat. En traslladar la construcció a les fàbriques, amb la prefabricació modular i la robòtica per implementar nous mètodes de disseny, els materials es poden utilitzar de manera eficient sense comprometre la seguretat. La fabricació digital ens permet ampliar la nostra imaginació de disseny per crear formes geomètriques més diverses, eficients i ambicioses. Tot i que els processos de disseny i càlcul s'han digitalitzat en gran part, la fabricació i el muntatge encara es fan en gran part a mà de manera tradicional. Per fer front a estructures de forma lliure cada cop més complexes, els processos de fabricació digital són cada cop més importants. El desig de llibertat i flexibilitat de disseny, especialment quan es tracta de façanes, creix constantment. A més de l'efecte visual, les façanes de forma lliure també permeten crear estructures més eficients, per exemple, mitjançant l'ús d'efectes de membrana [2]. A més, el gran potencial dels processos de fabricació digital rau en la seva eficiència i en la possibilitat d'optimització del disseny.
Aquest article explora com es pot utilitzar la tecnologia digital per dissenyar i fabricar un panell de façana compost innovador format per un nucli de polímer fabricat additivament i panells exteriors de vidre prims units. A més de les noves possibilitats arquitectòniques associades a l'ús de vidre prim, els criteris ambientals i econòmics també han estat motivacions importants per utilitzar menys material per construir l'envoltant de l'edifici. Amb el canvi climàtic, l'escassetat de recursos i l'augment dels preus de l'energia en el futur, el vidre s'ha d'utilitzar de manera més intel·ligent. L'ús de vidre prim de menys de 2 mm de gruix de la indústria electrònica fa que la façana sigui lleugera i redueix l'ús de matèries primeres.
A causa de l'alta flexibilitat del vidre prim, obre noves possibilitats per a aplicacions arquitectòniques i al mateix temps planteja nous reptes d'enginyeria [3,4,5,6]. Si bé la implementació actual de projectes de façana amb vidre prim és limitada, el vidre prim s'utilitza cada cop més en estudis d'enginyeria civil i arquitectura. A causa de l'alta capacitat del vidre prim a la deformació elàstica, el seu ús en façanes requereix solucions estructurals reforçades [7]. A més d'aprofitar l'efecte membrana a causa de la geometria corba [8], el moment d'inèrcia també es pot augmentar mitjançant una estructura multicapa que consisteix en un nucli de polímer i una làmina exterior de vidre prima enganxada. Aquest enfocament s'ha mostrat prometedor a causa de l'ús d'un nucli dur de policarbonat transparent, que és menys dens que el vidre. A més de l'acció mecànica positiva, es van complir criteris de seguretat addicionals [9].
L'enfocament del següent estudi es basa en el mateix concepte, però utilitzant un nucli translúcid de porus oberts fabricat additivament. Això garanteix un major grau de llibertat geomètrica i possibilitats de disseny, així com la integració de les funcions físiques de l'edifici [10]. Aquests panells compostos han demostrat ser especialment efectius en proves mecàniques [11] i prometen reduir la quantitat de vidre utilitzat fins a un 80%. Això no només reduirà els recursos necessaris, sinó que també reduirà significativament el pes dels panells, augmentant així l'eficiència de la subestructura. Però les noves formes de construcció requereixen noves formes de producció. Les estructures eficients requereixen processos de fabricació eficients. El disseny digital contribueix a la fabricació digital. Aquest article continua la investigació prèvia de l'autor presentant un estudi del procés de fabricació digital de panells compostos de vidre prims per a robots industrials. El focus se centra en la digitalització del flux de treball d'arxiu a fàbrica dels primers prototips de gran format per augmentar l'automatització del procés de fabricació.
El panell compost (figura 1) consta de dues superposicions primes de vidre embolicades al voltant d'un nucli de polímer AM. Les dues parts estan connectades amb cola. L'objectiu d'aquest disseny és distribuir la càrrega per tota la secció de la manera més eficient possible. Els moments de flexió creen tensions normals a la carcassa. Les forces laterals provoquen esforços de cisalla al nucli i a les juntes adhesives.
La capa exterior de l'estructura sandvitx està feta de vidre prim. En principi, s'utilitzarà vidre de silicat sodocalç. Amb un gruix objectiu < 2 mm, el procés de temperat tèrmic arriba al límit tecnològic actual. El vidre d'aluminosilicat reforçat químicament es pot considerar especialment adequat si es requereix una major resistència a causa del disseny (per exemple, panells plegats en fred) o l'ús [12]. Les funcions de transmissió de la llum i protecció del medi ambient es complementaran amb bones propietats mecàniques, com ara una bona resistència a les ratllades i un mòdul de Young relativament alt en comparació amb altres materials utilitzats en composites. A causa de la mida limitada disponible per al vidre prim endurit químicament, es van utilitzar panells de vidre de soda-calç de 3 mm de gruix totalment temperat per crear el primer prototip a gran escala.
L'estructura de suport es considera una part conformada del panell compost. Gairebé tots els atributs es veuen afectats. Gràcies al mètode de fabricació additiva, també és el centre del procés de fabricació digital. Els termoplàstics es processen per fusió. Això fa possible utilitzar un gran nombre de polímers diferents per a aplicacions específiques. La topologia dels elements principals es pot dissenyar amb diferent èmfasi en funció de la seva funció. Amb aquesta finalitat, el disseny de formes es pot dividir en les quatre categories de disseny següents: disseny estructural, disseny funcional, disseny estètic i disseny de producció. Cada categoria pot tenir diferents propòsits, que poden donar lloc a diferents topologies.
Durant l'estudi preliminar, alguns dels dissenys principals es van provar per a la idoneïtat del seu disseny [11]. Des del punt de vista mecànic, la superfície mínima del nucli de tres períodes del giroscopi és especialment eficaç. Això proporciona una alta resistència mecànica a la flexió amb un consum de material relativament baix. A més de les estructures bàsiques cel·lulars reproduïdes a les regions superficials, la topologia també es pot generar mitjançant altres tècniques de cerca de formes. La generació de línies de tensió és una de les maneres possibles d'optimitzar la rigidesa amb el menor pes possible [13]. Tanmateix, l'estructura de niu d'abella, molt utilitzada en construccions sandvitx, s'ha utilitzat com a punt de partida per al desenvolupament de la línia de producció. Aquesta forma bàsica condueix a un ràpid progrés en la producció, especialment a través de la programació fàcil de la trajectòria. El seu comportament en panells compostos ha estat àmpliament estudiat [14, 15, 16] i l'aparença es pot canviar de moltes maneres mitjançant la parametrització i també es pot utilitzar per a conceptes d'optimització inicials.
Hi ha molts polímers termoplàstics a tenir en compte a l'hora d'escollir un polímer, depenent del procés d'extrusió utilitzat. Els estudis preliminars inicials de materials a petita escala han reduït el nombre de polímers considerats aptes per al seu ús en façanes [11]. El policarbonat (PC) és prometedor a causa de la seva resistència a la calor, resistència als UV i alta rigidesa. A causa de la inversió tècnica i financera addicional necessària per processar el policarbonat, es va utilitzar el tereftalat de polietilè modificat (PETG) amb etilenglicol per produir els primers prototips. És especialment fàcil de processar a temperatures relativament baixes amb un baix risc de tensió tèrmica i deformació dels components. El prototip que es mostra aquí està fet de PETG reciclat anomenat PIPG. El material es va assecar prèviament a 60 ° C durant almenys 4 hores i es va processar en grànuls amb un contingut de fibra de vidre del 20% [17].
L'adhesiu proporciona un fort enllaç entre l'estructura del nucli del polímer i la tapa de vidre prima. Quan els panells compostos estan sotmesos a càrregues de flexió, les juntes adhesives estan sotmeses a esforç de cisalla. Per tant, es prefereix un adhesiu més dur i pot reduir la deflexió. Els adhesius transparents també ajuden a proporcionar una alta qualitat visual quan s'uneixen a vidre transparent. Un altre factor important a l'hora d'escollir un adhesiu és la fabricabilitat i la integració en els processos de producció automatitzats. Aquí els adhesius de curat UV amb temps de curat flexibles poden simplificar molt el posicionament de les capes de coberta. A partir de proves preliminars, es va provar una sèrie d'adhesius per a la seva idoneïtat per a panells compostos de vidre prims [18]. L'acrilat curable UV Loctite® AA 3345™ [19] va demostrar ser especialment adequat per al següent procés.
Per aprofitar les possibilitats de la fabricació additiva i la flexibilitat del vidre prim, tot el procés es va dissenyar per treballar de manera digital i paramètrica. Grasshopper s'utilitza com a interfície de programació visual, evitant interfícies entre diferents programes. Totes les disciplines (enginyeria, enginyeria i fabricació) es recolzaran i es complementaran mútuament en un fitxer amb comentaris directes de l'operador. En aquesta fase de l'estudi, el flux de treball encara està en desenvolupament i segueix el patró que es mostra a la Figura 2. Els diferents objectius es poden agrupar en categories dins de les disciplines.
Tot i que la producció de panells sandvitx en aquest document s'ha automatitzat amb un disseny i una preparació de fabricació centrats en l'usuari, la integració i validació d'eines d'enginyeria individuals no s'ha realitzat del tot. A partir del disseny paramètric de la geometria de la façana, és possible dissenyar la carcassa exterior de l'edifici a nivell macro (façana) i meso (panells de façana). En el segon pas, el bucle de retroalimentació d'enginyeria pretén avaluar la seguretat i la idoneïtat, així com la viabilitat de la fabricació de murs cortina. Finalment, els panells resultants estan preparats per a la producció digital. El programa processa l'estructura bàsica desenvolupada en codi G llegible per màquina i la prepara per a la fabricació additiva, el postprocessament subtractiu i l'enllaç de vidre.
El procés de disseny es considera a dos nivells diferents. A més del fet que la forma macro de les façanes afecta la geometria de cada panell compost, també es pot dissenyar la topologia del nucli en si a nivell meso. Quan s'utilitza un model de façana paramètric, la forma i l'aspecte es poden veure influenciats per les seccions de façana d'exemple utilitzant els controls lliscants que es mostren a la figura 3. Així, la superfície total consisteix en una superfície escalable definida per l'usuari que es pot deformar mitjançant atractors puntuals i modificada mitjançant especificant un grau de deformació mínim i màxim. Això proporciona un alt grau de flexibilitat en el disseny de les embolcalls de l'edifici. Tanmateix, aquest grau de llibertat està limitat per limitacions tècniques i de fabricació, que després són interpretades pels algorismes de la part d'enginyeria.
A més de l'alçada i amplada de tota la façana, es determina la divisió dels panells de la façana. Pel que fa als panells de façana individuals, es poden definir amb més precisió a nivell meso. Això afecta la topologia de la pròpia estructura del nucli, així com el gruix del vidre. Aquestes dues variables, així com la mida del panell, tenen una relació important amb el modelatge d'enginyeria mecànica. El disseny i desenvolupament de tot el nivell macro i meso es pot dur a terme en termes d'optimització en les quatre categories d'estructura, funció, estètica i disseny de producte. Els usuaris poden desenvolupar l'aspecte general de l'embolcall de l'edifici prioritzant aquestes àrees.
El projecte compta amb el suport de la part d'enginyeria mitjançant un bucle de retroalimentació. Amb aquesta finalitat, els objectius i les condicions de límit es defineixen a la categoria d'optimització que es mostra a la figura 2. Proporcionen passadissos tècnicament factibles, físicament sòlids i segurs de construir des del punt de vista de l'enginyeria, la qual cosa té un impacte significatiu en el disseny. Aquest és el punt de partida de diverses eines que es poden integrar directament a Grasshopper. En investigacions posteriors, les propietats mecàniques es poden avaluar mitjançant l'anàlisi d'elements finits (FEM) o fins i tot càlculs analítics.
A més, els estudis de radiació solar, l'anàlisi de la línia de visió i el modelatge de la durada del sol poden avaluar l'impacte dels panells compostos en la física dels edificis. És important no limitar excessivament la velocitat, l'eficiència i la flexibilitat del procés de disseny. Com a tal, els resultats obtinguts aquí s'han dissenyat per proporcionar una guia i suport addicionals al procés de disseny i no són un substitut de l'anàlisi i justificació detallada al final del procés de disseny. Aquest pla estratègic posa les bases per a més investigacions categòriques per obtenir resultats provats. Per exemple, encara es coneix poc sobre el comportament mecànic dels panells compostos sota diverses condicions de càrrega i suport.
Un cop finalitzat el disseny i l'enginyeria, el model està llest per a la producció digital. El procés de fabricació es divideix en quatre subetapes (Fig. 4). Primer, l'estructura principal es va fabricar additivament mitjançant una instal·lació d'impressió 3D robòtica a gran escala. A continuació, la superfície es fresa amb el mateix sistema robòtic per millorar la qualitat de la superfície necessària per a una bona unió. Després del fresat, l'adhesiu s'aplica al llarg de l'estructura del nucli mitjançant un sistema de dosificació especialment dissenyat muntat en el mateix sistema robòtic utilitzat per al procés d'impressió i fresat. Finalment, el vidre s'instal·la i es col·loca abans del curat UV de la junta adherida.
Per a la fabricació additiva, la topologia definida de l'estructura subjacent s'ha de traduir al llenguatge de màquina CNC (GCode). Per obtenir resultats uniformes i d'alta qualitat, l'objectiu és imprimir cada capa sense que el broquet de l'extrusora caigui. Això evita una sobrepressió no desitjada a l'inici i al final del moviment. Per tant, es va escriure un script de generació de trajectòria contínua per al patró cel·lular que s'utilitza. Això crearà una polilínia contínua paramètrica amb els mateixos punts inicials i finals, que s'adaptarà a la mida del panell seleccionat, el nombre i la mida dels bresques segons el disseny. A més, es poden especificar paràmetres com ara l'amplada de la línia i l'alçada de la línia abans de posar les línies per aconseguir l'alçada desitjada de l'estructura principal. El següent pas de l'script és escriure les ordres del codi G.
Això es fa registrant les coordenades de cada punt de la línia amb informació addicional de la màquina, com ara altres eixos rellevants per al posicionament i el control del volum d'extrusió. El codi G resultant es pot transferir a les màquines de producció. En aquest exemple, s'utilitza un braç de robot industrial Comau NJ165 sobre un rail lineal per controlar una extrusora CEAD E25 segons el codi G (figura 5). El primer prototip va utilitzar PETG postindustrial amb un contingut de fibra de vidre del 20%. Pel que fa a les proves mecàniques, la mida objectiu és propera a la mida de la indústria de la construcció, de manera que les dimensions de l'element principal són 1983 × 876 mm amb 6 × 4 cel·les de bresca. 6 mm i 2 mm d'alçada.
Les proves preliminars han demostrat que hi ha una diferència de força adhesiva entre l'adhesiu i la resina d'impressió 3D en funció de les seves propietats superficials. Per fer-ho, les mostres d'assaig de fabricació additiva s'enganxen o laminen al vidre i se sotmeten a tensió o cisalla. Durant el processament mecànic preliminar de la superfície del polímer per fresat, la resistència va augmentar significativament (Fig. 6). A més, millora la planitud del nucli i evita defectes causats per la sobreextrusió. L'acrilat curable per UV LOCTITE® AA 3345™ [19] utilitzat aquí és sensible a les condicions de processament.
Això sovint provoca una desviació estàndard més alta per a les mostres de prova d'enllaç. Després de la fabricació additiva, l'estructura central es va fresar en una fresadora de perfils. El codi G necessari per a aquesta operació es genera automàticament a partir de rutes d'eines ja creades per al procés d'impressió 3D. L'estructura del nucli s'ha d'imprimir una mica més alt que l'alçada del nucli prevista. En aquest exemple, l'estructura del nucli de 18 mm de gruix s'ha reduït a 14 mm.
Aquesta part del procés de fabricació és un repte important per a l'automatització total. L'ús d'adhesius imposa grans exigències a la precisió i precisió de les màquines. El sistema de dosificació pneumàtic s'utilitza per aplicar l'adhesiu al llarg de l'estructura del nucli. És guiat pel robot al llarg de la superfície de fresat d'acord amb el recorregut de l'eina definit. Resulta que substituir la punta dispensadora tradicional per un raspall és especialment avantatjós. Això permet que els adhesius de baixa viscositat es distribueixin uniformement per volum. Aquesta quantitat ve determinada per la pressió del sistema i la velocitat del robot. Per a una major precisió i una alta qualitat d'unió, es prefereixen velocitats de desplaçament baixes de 200 a 800 mm/min.
Es va aplicar acrilat amb una viscositat mitjana de 1500 mPa * s a la paret del nucli de polímer de 6 mm d'ample mitjançant un raspall dosificador amb un diàmetre interior de 0,84 mm i una amplada del raspall de 5 a una pressió aplicada de 0,3 a 0,6 mbar. mm. A continuació, l'adhesiu s'estén per la superfície del substrat i forma una capa d'1 mm de gruix a causa de la tensió superficial. La determinació exacta del gruix de l'adhesiu encara no es pot automatitzar. La durada del procés és un criteri important per triar un adhesiu. L'estructura central produïda aquí té una longitud de via de 26 m i, per tant, un temps d'aplicació de 30 a 60 minuts.
Després d'aplicar l'adhesiu, instal·leu la finestra de doble vidre al seu lloc. A causa del baix gruix del material, el vidre prim ja està fortament deformat pel seu propi pes i, per tant, s'ha de col·locar de la manera més uniforme possible. Per a això s'utilitzen ventoses pneumàtiques de vidre amb ventoses disperses en el temps. Es col·loca sobre el component mitjançant una grua, i en el futur es pot col·locar directament mitjançant robots. La placa de vidre es va col·locar paral·lelament a la superfície del nucli a la capa adhesiva. A causa del pes més lleuger, una placa de vidre addicional (de 4 a 6 mm de gruix) augmenta la pressió sobre ella.
El resultat hauria de ser una humectació completa de la superfície de vidre al llarg de l'estructura del nucli, tal com es pot jutjar a partir d'una inspecció visual inicial de les diferències de color visibles. El procés d'aplicació també pot tenir un impacte significatiu en la qualitat de la unió unida final. Un cop units, els panells de vidre no s'han de moure, ja que això provocarà residus d'adhesiu visibles al vidre i defectes a la capa adhesiva real. Finalment, l'adhesiu es cura amb radiació UV a una longitud d'ona de 365 nm. Per fer-ho, es fa passar gradualment una làmpada UV amb una densitat de potència de 6 mW/cm2 per tota la superfície adhesiva durant 60 s.
El concepte de panells compostos de vidre prim lleugers i personalitzables amb nucli de polímer fabricat additivament que es discuteix aquí està pensat per al seu ús en façanes futures. Així, els panells compostos han de complir amb les normes aplicables i complir els requisits d'estats límit de servei (SLS), estats límit de resistència final (ULS) i requisits de seguretat. Per tant, els panells compostos han de ser segurs, forts i prou rígids per suportar càrregues (com ara càrregues superficials) sense trencar-se ni deformar-se excessivament. Per investigar la resposta mecànica dels panells compostos de vidre prims fabricats prèviament (tal com es descriu a la secció Proves mecàniques), es van sotmetre a proves de càrrega de vent tal com es descriu a la subsecció següent.
L'objectiu de les proves físiques és estudiar les propietats mecàniques dels panells compostos de parets exteriors sota càrregues de vent. Amb aquesta finalitat, es van fabricar panells compostos formats per una làmina exterior de vidre temperat complet de 3 mm de gruix i un nucli fabricat additivament de 14 mm de gruix (de PIPG-GF20) tal com es descriu anteriorment utilitzant l'adhesiu Henkel Loctite AA 3345 (Fig. 7 esquerra). )). . A continuació, els panells compostos s'uneixen al marc de suport de fusta amb cargols metàl·lics que s'introdueixen a través del marc de fusta i als laterals de l'estructura principal. Es van col·locar 30 cargols al voltant del perímetre del panell (vegeu la línia negra de l'esquerra a la figura 7) per reproduir les condicions de suport lineal al voltant del perímetre el més a prop possible.
A continuació, el marc de prova es va segellar a la paret de prova exterior aplicant pressió del vent o succió del vent darrere del panell compost (figura 7, superior dreta). S'utilitza un sistema de correlació digital (DIC) per registrar dades. Per fer-ho, el vidre exterior del panell compost es cobreix amb una fina làmina elàstica impresa amb un patró de soroll perlat (Fig. 7, inferior dreta). DIC utilitza dues càmeres per registrar la posició relativa de tots els punts de mesura a tota la superfície del vidre. Es van gravar dues imatges per segon i es van utilitzar per a l'avaluació. La pressió a la cambra, envoltada de panells compostos, s'incrementa mitjançant un ventilador en increments de 1000 Pa fins a un valor màxim de 4000 Pa, de manera que cada nivell de càrrega es manté durant 10 segons.
La configuració física de l'experiment també es representa mitjançant un model numèric amb les mateixes dimensions geomètriques. Per a això s'utilitza el programa numèric Ansys Mechanical. L'estructura central era de malla geomètrica utilitzant elements hexagonals SOLID 185 amb costats de 20 mm per al vidre i elements tetraèdrics SOLID 187 amb costats de 3 mm. Per simplificar el modelatge, en aquesta etapa de l'estudi, s'assumeix aquí que l'acrilat utilitzat és idealment rígid i prim, i es defineix com un enllaç rígid entre el vidre i el material del nucli.
Els panells compostos es fixen en línia recta fora del nucli, i el panell de vidre està sotmès a una càrrega de pressió superficial de 4000 Pa. Tot i que en el modelatge es van tenir en compte les no linealitats geomètriques, només es van utilitzar models de material lineal en aquesta etapa del procés. estudiar. Tot i que aquesta és una hipòtesi vàlida per a la resposta elàstica lineal del vidre (E = 70.000 MPa), segons el full de dades del fabricant del material de nucli polimèric (viscoelàstic) [17], es va utilitzar la rigidesa lineal E = 8245 MPa en l'anàlisi actual s'ha de considerar amb rigor i s'estudiarà en futures investigacions.
Els resultats aquí presentats s'avaluen principalment per a deformacions a càrregues de vent màximes de fins a 4000 Pa (=ˆ4kN/m2). Per a això, es van comparar les imatges enregistrades pel mètode DIC amb els resultats de la simulació numèrica (FEM) (Fig. 8, inferior dreta). Tot i que al FEM es calcula una tensió total ideal de 0 mm amb suports lineals "ideals" a la regió de la vora (és a dir, el perímetre del panell), s'ha de tenir en compte el desplaçament físic de la regió de la vora a l'hora d'avaluar el DIC. Això es deu a les toleràncies d'instal·lació i a la deformació del marc de prova i els seus segells. Per comparar, el desplaçament mitjà a la regió de la vora (línia blanca discontínua a la figura 8) es va restar del desplaçament màxim al centre del panell. Els desplaçaments determinats per DIC i FEA es comparen a la taula 1 i es mostren gràficament a la cantonada superior esquerra de la figura 8.
Els quatre nivells de càrrega aplicats del model experimental es van utilitzar com a punts de control per a l'avaluació i es van avaluar al FEM. El desplaçament central màxim de la placa composta en estat sense càrrega es va determinar mitjançant mesures DIC a un nivell de càrrega de 4000 Pa a 2,18 mm. Tot i que els desplaçaments de FEA a càrregues més baixes (fins a 2000 Pa) encara poden reproduir amb precisió els valors experimentals, l'augment no lineal de la tensió a càrregues més altes no es pot calcular amb precisió.
Tanmateix, els estudis han demostrat que els panells compostos poden suportar càrregues de vent extremes. Destaca especialment l'alta rigidesa dels panells lleugers. Utilitzant càlculs analítics basats en la teoria lineal de les plaques de Kirchhoff [20], una deformació de 2,18 mm a 4000 Pa correspon a la deformació d'una única placa de vidre de 12 mm de gruix en les mateixes condicions de contorn. Com a resultat, el gruix del vidre (que consumeix energia en la producció) en aquest panell compost es pot reduir a 2 x 3 mm de vidre, el que resulta en un estalvi de material del 50%. La reducció del pes total del panell aporta avantatges addicionals pel que fa al muntatge. Mentre que un panell compost de 30 kg pot ser manejat fàcilment per dues persones, un panell de vidre tradicional de 50 kg requereix suport tècnic per moure's amb seguretat. Per tal de representar amb precisió el comportament mecànic, es requeriran models numèrics més detallats en estudis futurs. L'anàlisi d'elements finits es pot millorar encara més amb models de materials no lineals més extensos per a polímers i modelatge d'enllaços adhesius.
El desenvolupament i la millora dels processos digitals tenen un paper clau en la millora del rendiment econòmic i ambiental del sector de la construcció. A més, l'ús de vidre prim a les façanes promet un estalvi energètic i de recursos i obre noves possibilitats per a l'arquitectura. Tanmateix, a causa del petit gruix del vidre, calen noves solucions de disseny per reforçar adequadament el vidre. Per tant, l'estudi que es presenta en aquest article explora el concepte de panells compostos fets de vidre prim i estructures de nucli de polímer impresos en 3D reforçats unides. Tot el procés de producció, des del disseny fins a la producció, s'ha digitalitzat i automatitzat. Amb l'ajuda de Grasshopper, es va desenvolupar un flux de treball d'arxiu a fàbrica per permetre l'ús de panells compostos de vidre prims en futures façanes.
La producció del primer prototip va demostrar la viabilitat i els reptes de la fabricació robòtica. Tot i que la fabricació additiva i subtractiva ja està ben integrada, l'aplicació i el muntatge d'adhesius totalment automatitzats, en particular, presenten reptes addicionals que cal abordar en futures investigacions. Mitjançant proves mecàniques preliminars i modelització d'investigació d'elements finits associats, s'ha demostrat que els panells de fibra de vidre lleugers i prims proporcionen una rigidesa a la flexió suficient per a les aplicacions de façana previstes, fins i tot en condicions de càrrega de vent extremes. Les investigacions en curs dels autors exploraran encara més el potencial dels panells compostos de vidre prims fabricats digitalment per a aplicacions de façana i demostraran la seva eficàcia.
Els autors volen agrair a tots els col·laboradors associats a aquest treball de recerca. Gràcies al programa de finançament EFRE SAB finançat amb fons de la Unió Europea en forma de subvenció núm. per aportar recursos econòmics per a la compra d'un manipulador amb extrusora i fresadora. 100537005. A més, AiF-ZIM va ser reconegut per finançar el projecte de recerca Glasfur3D (número de subvenció ZF4123725WZ9) en col·laboració amb Glaswerkstätten Glas Ahne, que va oferir un suport important per a aquest treball de recerca. Finalment, el laboratori Friedrich Siemens i els seus col·laboradors, especialment Felix Hegewald i l'estudiant ajudant Jonathan Holzerr, reconeixen el suport tècnic i la implementació de la fabricació i les proves físiques que van constituir la base d'aquest article.
Hora de publicació: 04-agost-2023