Användningen av tunt glas lovar att uppfylla olika uppgifter inom byggbranschen. Utöver miljöfördelarna med en effektivare resursanvändning kan arkitekter använda tunt glas för att uppnå nya grader av designfrihet. Baserat på sandwichteorin kan flexibelt tunt glas kombineras med en 3D-printad polymerkärna med öppen cell för att bilda mycket styv och lättviktig
sammansatta element. Den här artikeln presenterar ett utforskande försök till digital tillverkning av tunna glaskompositfasadpaneler med hjälp av industrirobotar. Den förklarar konceptet med att digitalisera arbetsflöden från fabrik till fabrik, inklusive datorstödd design (CAD), ingenjörskonst (CAE) och tillverkning (CAM). Studien visar en parametrisk designprocess som möjliggör sömlös integrering av digitala analysverktyg.
Dessutom visar denna process potentialen och utmaningarna med att digitalt tillverka tunna glaskompositpaneler. Några av tillverkningsstegen som utförs av en industrirobotarm, såsom additiv tillverkning i storformat, ytbearbetning, limning och monteringsprocesser, förklaras här. Slutligen, för första gången, har en djup förståelse av de mekaniska egenskaperna hos kompositpaneler erhållits genom experimentella och numeriska studier och utvärdering av de mekaniska egenskaperna hos kompositpaneler under ytbelastning. Det övergripande konceptet med digital design och tillverkningsarbetsflöde, samt resultaten av experimentella studier, ger en grund för ytterligare integration av formdefinition och analysmetoder, samt för att genomföra omfattande mekanistiska studier i framtida studier.
Digitala tillverkningsmetoder tillåter oss att förbättra produktionen genom att förändra traditionella metoder och ge nya designmöjligheter [1]. Traditionella byggmetoder tenderar att överanvända material när det gäller kostnad, grundläggande geometri och säkerhet. Genom att flytta konstruktionen till fabriker, använda modulär prefabricering och robotteknik för att implementera nya designmetoder, kan material användas effektivt utan att kompromissa med säkerheten. Digital tillverkning tillåter oss att utöka vår designfantasi för att skapa mer mångsidiga, effektiva och ambitiösa geometriska former. Medan design- och beräkningsprocesserna till stor del har digitaliserats, sker tillverkning och montering fortfarande till stor del för hand på traditionella sätt. För att klara av allt mer komplexa friformsstrukturer blir digitala tillverkningsprocesser allt viktigare. Önskan om frihet och designflexibilitet, speciellt när det kommer till fasader, växer stadigt. Utöver den visuella effekten tillåter friformsfasader dig också att skapa effektivare strukturer, till exempel genom användning av membraneffekter [2]. Dessutom ligger den stora potentialen med digitala tillverkningsprocesser i deras effektivitet och möjligheten till designoptimering.
Den här artikeln utforskar hur digital teknik kan användas för att designa och tillverka en innovativ kompositfasadpanel bestående av en additivt tillverkad polymerkärna och sammanfogade tunna exteriöra glaspaneler. Utöver de nya arkitektoniska möjligheterna förknippade med användningen av tunt glas, har miljömässiga och ekonomiska kriterier också varit viktiga motiv för att använda mindre material för att konstruera klimatskalet. Med klimatförändringar, resursbrist och stigande energipriser i framtiden måste glas användas smartare. Användningen av tunt glas mindre än 2 mm tjockt från elektronikindustrin gör fasaden lätt och minskar användningen av råmaterial.
På grund av den höga flexibiliteten hos tunt glas öppnar det upp nya möjligheter för arkitektoniska tillämpningar och ställer samtidigt till nya tekniska utmaningar [3,4,5,6]. Medan den nuvarande implementeringen av fasadprojekt med tunt glas är begränsad, används tunt glas i allt större utsträckning inom byggnadsteknik och arkitekturstudier. På grund av den höga förmågan hos tunt glas till elastisk deformation kräver dess användning i fasader förstärkta strukturella lösningar [7]. Förutom att utnyttja membraneffekten på grund av den krökta geometrin [8] kan tröghetsmomentet också ökas genom en flerskiktsstruktur bestående av en polymerkärna och en limmad tunn glasytterskiva. Detta tillvägagångssätt har visat sig lovande tack vare användningen av en hård transparent polykarbonatkärna, som är mindre tät än glas. Utöver den positiva mekaniska verkan uppfylldes ytterligare säkerhetskriterier [9].
Tillvägagångssättet i följande studie är baserat på samma koncept, men med en additivt tillverkad genomskinlig kärna med öppen porer. Detta garanterar en högre grad av geometrisk frihet och designmöjligheter, samt integrering av byggnadens fysiska funktioner [10]. Sådana kompositpaneler har visat sig vara särskilt effektiva vid mekanisk testning [11] och lovar att minska mängden glas som används med upp till 80 %. Detta kommer inte bara att minska de resurser som krävs, utan också minska vikten på panelerna avsevärt, vilket ökar effektiviteten hos underkonstruktionen. Men nya byggformer kräver nya produktionsformer. Effektiva strukturer kräver effektiva tillverkningsprocesser. Digital design bidrar till digital tillverkning. Den här artikeln fortsätter författarens tidigare forskning genom att presentera en studie av den digitala tillverkningsprocessen av tunna glaskompositpaneler för industrirobotar. Fokus ligger på att digitalisera fil-till-fabrik-arbetsflödet för de första storformatsprototyperna för att öka automatiseringen av tillverkningsprocessen.
Kompositpanelen (Figur 1) består av två tunna glasöverlägg lindade runt en AM-polymerkärna. De två delarna är förbundna med lim. Syftet med denna konstruktion är att fördela belastningen över hela sektionen så effektivt som möjligt. Böjmoment skapar normala spänningar i skalet. Sidokrafter orsakar skjuvspänningar i kärnan och limfogarna.
Det yttre lagret av sandwichstrukturen är gjord av tunt glas. I princip kommer soda-kalksilikatglas att användas. Med en måltjocklek < 2 mm når den termiska härdningsprocessen den nuvarande tekniska gränsen. Kemiskt förstärkt aluminiumsilikatglas kan anses särskilt lämpligt om högre hållfasthet krävs på grund av design (t.ex. kallvikta paneler) eller användning [12]. Ljusgenomsläppligheten och miljöskyddsfunktionerna kommer att kompletteras med goda mekaniska egenskaper som bra reptålighet och en relativt hög Youngs modul jämfört med andra material som används i kompositer. På grund av den begränsade storleken som finns tillgänglig för kemiskt härdat tunt glas, användes paneler av helt härdat 3 mm tjockt soda-kalkglas för att skapa den första storskaliga prototypen.
Den bärande strukturen betraktas som en formad del av kompositpanelen. Nästan alla attribut påverkas av det. Tack vare den additiva tillverkningsmetoden är den också centrum för den digitala tillverkningsprocessen. Termoplaster bearbetas genom smältning. Detta gör det möjligt att använda ett stort antal olika polymerer för specifika tillämpningar. Huvudelementens topologi kan utformas med olika betoning beroende på deras funktion. För detta ändamål kan formdesign delas in i följande fyra designkategorier: strukturell design, funktionell design, estetisk design och produktionsdesign. Varje kategori kan ha olika syften, vilket kan leda till olika topologier.
Under den preliminära studien testades några av huvuddesignerna med avseende på deras designs lämplighet [11]. Ur mekanisk synvinkel är gyroskopets minsta kärnyta med tre perioder särskilt effektiv. Detta ger hög mekanisk motståndskraft mot böjning vid en relativt låg materialåtgång. Förutom de cellulära grundstrukturerna som reproduceras i ytregionerna kan topologin också genereras med andra formsökningstekniker. Stresslinjegenerering är ett av de möjliga sätten att optimera styvhet vid lägsta möjliga vikt [13]. Däremot har bikakestrukturen, som används i stor utsträckning i sandwichkonstruktioner, använts som utgångspunkt för utvecklingen av produktionslinjen. Denna grundform leder till snabba framsteg i produktionen, särskilt genom enkel programmering av verktygsbanor. Dess beteende i kompositpaneler har studerats omfattande [14, 15, 16] och utseendet kan ändras på många sätt genom parametrisering och kan även användas för initiala optimeringskoncept.
Det finns många termoplastiska polymerer att tänka på när man väljer en polymer, beroende på vilken extruderingsprocess som används. Inledande förstudier av småskaliga material har minskat antalet polymerer som anses lämpliga för användning i fasader [11]. Polykarbonat (PC) är lovande på grund av sin värmebeständighet, UV-beständighet och höga styvhet. På grund av de ytterligare tekniska och ekonomiska investeringar som krävs för att bearbeta polykarbonat, användes etylenglykolmodifierad polyetylentereftalat (PETG) för att producera de första prototyperna. Det är särskilt lätt att bearbeta vid relativt låga temperaturer med låg risk för termisk stress och komponentdeformation. Prototypen som visas här är gjord av återvunnet PETG som kallas PIPG. Materialet torkades preliminärt vid 60°C i minst 4 timmar och bearbetades till granulat med en glasfiberhalt på 20 % [17].
Limmet ger en stark bindning mellan polymerkärnstrukturen och det tunna glaslocket. När kompositskivor utsätts för böjbelastningar utsätts limfogarna för skjuvspänning. Därför är ett hårdare lim att föredra och kan minska nedböjningen. Klara lim bidrar också till att ge hög visuell kvalitet när de limmas till klart glas. En annan viktig faktor vid val av lim är tillverkningsbarhet och integration i automatiserade produktionsprocesser. Här kan UV-härdande lim med flexibla härdningstider avsevärt förenkla placeringen av täckskikten. Baserat på preliminära tester testades en serie lim med avseende på deras lämplighet för tunna glaskompositpaneler [18]. Loctite® AA 3345™ UV-härdbart akrylat [19] visade sig vara särskilt lämpligt för följande process.
För att dra fördel av möjligheterna med additiv tillverkning och flexibiliteten hos tunt glas utformades hela processen för att fungera digitalt och parametriskt. Grasshopper används som ett visuellt programmeringsgränssnitt och undviker gränssnitt mellan olika program. Alla discipliner (teknik, teknik och tillverkning) kommer att stödja och komplettera varandra i en fil med direkt feedback från operatören. I detta skede av studien är arbetsflödet fortfarande under utveckling och följer det mönster som visas i figur 2. De olika målen kan grupperas i kategorier inom discipliner.
Även om produktionen av sandwichpaneler i detta dokument har automatiserats med användarcentrerad design och tillverkningsförberedelser, har inte integrationen och valideringen av individuella tekniska verktyg förverkligats fullt ut. Utifrån den parametriska utformningen av fasadgeometrin är det möjligt att utforma byggnadens yttre skal på makronivå (fasad) och meso (fasadskivor). I det andra steget syftar den tekniska återkopplingsslingan till att utvärdera säkerheten och lämpligheten såväl som lönsamheten för tillverkning av gardinväggar. Äntligen är de resulterande panelerna redo för digital produktion. Programmet bearbetar den utvecklade kärnstrukturen i maskinläsbar G-kod och förbereder den för additiv tillverkning, subtraktiv efterbearbetning och glasbindning.
Designprocessen ses på två olika nivåer. Förutom att fasadernas makroform påverkar geometrin på varje kompositpanel, kan själva kärnans topologi också utformas på mesonivå. När man använder en parametrisk fasadmodell kan formen och utseendet påverkas av exemplet på fasadsektionerna med hjälp av reglagen som visas i figur 3. Den totala ytan består alltså av en användardefinierad skalbar yta som kan deformeras med hjälp av punktattraktorer och modifieras av som specificerar en lägsta och högsta grad av deformation. Detta ger en hög grad av flexibilitet i utformningen av byggnadsskal. Denna frihetsgrad begränsas dock av tekniska och tillverkningsmässiga begränsningar, som sedan spelas upp av algoritmerna i den tekniska delen.
Utöver hela fasadens höjd och bredd bestäms indelningen av fasadskivorna. När det gäller enskilda fasadskivor kan de definieras mer exakt på mesonivå. Detta påverkar själva kärnstrukturens topologi, såväl som glasets tjocklek. Dessa två variabler, liksom panelens storlek, har ett viktigt samband med maskinteknisk modellering. Design och utveckling av hela makro- och mesonivån kan utföras optimeringsmässigt inom de fyra kategorierna struktur, funktion, estetik och produktdesign. Användare kan utveckla det övergripande utseendet och känslan av byggnadsskalet genom att prioritera dessa områden.
Projektet stöds av ingenjörsdelen med hjälp av en återkopplingsslinga. För detta ändamål definieras mål och randvillkor i optimeringskategorin som visas i fig. 2. De tillhandahåller korridorer som är tekniskt genomförbara, fysiskt sunda och säkra att bygga ur teknisk synvinkel, vilket har en betydande inverkan på designen. Detta är utgångspunkten för olika verktyg som kan integreras direkt i Grasshopper. I ytterligare undersökningar kan mekaniska egenskaper utvärderas med Finite Element Analysis (FEM) eller till och med analytiska beräkningar.
Dessutom kan solstrålningsstudier, synlinjeanalys och solskensmodellering utvärdera inverkan av kompositpaneler på byggnadsfysik. Det är viktigt att inte alltför begränsa hastigheten, effektiviteten och flexibiliteten i designprocessen. Som sådan har resultaten som erhållits här utformats för att ge ytterligare vägledning och stöd till designprocessen och är inte en ersättning för detaljerad analys och motivering i slutet av designprocessen. Denna strategiska plan lägger grunden för ytterligare kategorisk forskning för beprövade resultat. Till exempel är ännu lite känt om det mekaniska beteendet hos kompositpaneler under olika belastnings- och stödförhållanden.
När designen och konstruktionen är klar är modellen redo för digital produktion. Tillverkningsprocessen är indelad i fyra delsteg (Fig. 4). Först tillverkades huvudstrukturen additivt med hjälp av en storskalig robotbaserad 3D-utskriftsanläggning. Ytan fräsas sedan med samma robotsystem för att förbättra den ytkvalitet som krävs för en god vidhäftning. Efter fräsning appliceras limmet längs kärnstrukturen med hjälp av ett specialdesignat doseringssystem monterat på samma robotsystem som används för tryck- och fräsningsprocessen. Slutligen installeras och läggs glaset före UV-härdning av limfogen.
För additiv tillverkning måste den definierade topologin för den underliggande strukturen översättas till CNC-maskinspråk (GCode). För enhetliga och högkvalitativa resultat är målet att skriva ut varje lager utan att extrudermunstycket faller av. Detta förhindrar oönskat övertryck i början och slutet av rörelsen. Därför skrevs ett kontinuerligt bangenereringsskript för det cellmönster som används. Detta kommer att skapa en parametrisk kontinuerlig polylinje med samma start- och slutpunkter, som anpassar sig till den valda panelstorleken, antalet och storleken på bikakor enligt design. Dessutom kan parametrar som linjebredd och linjehöjd anges innan linjer läggs för att uppnå önskad höjd på huvudstrukturen. Nästa steg i skriptet är att skriva G-code-kommandona.
Detta görs genom att registrera koordinaterna för varje punkt på linjen med ytterligare maskininformation såsom andra relevanta axlar för positionering och extruderingsvolymkontroll. Den resulterande G-koden kan sedan överföras till produktionsmaskiner. I detta exempel används en Comau NJ165 industrirobotarm på en linjär skena för att styra en CEAD E25 extruder enligt G-koden (Figur 5). Den första prototypen använde postindustriell PETG med en glasfiberhalt på 20 %. När det gäller mekanisk testning är målstorleken nära byggindustrins storlek, så huvudelementets dimensioner är 1983 × 876 mm med 6 × 4 bikakeceller. 6 mm och 2 mm hög.
Preliminära tester har visat att det finns en skillnad i vidhäftningsstyrka mellan lim och 3D-printharts beroende på dess ytegenskaper. För att göra detta limmas eller lamineras provexemplar av additiv tillverkning på glas och utsätts för spänning eller skjuvning. Under den preliminära mekaniska bearbetningen av polymerytan genom fräsning ökade hållfastheten avsevärt (fig. 6). Dessutom förbättrar det kärnans planhet och förhindrar defekter orsakade av överextrudering. Det UV-härdbara LOCTITE® AA 3345™ [19] akrylatet som används här är känsligt för bearbetningsförhållanden.
Detta resulterar ofta i en högre standardavvikelse för bindningstestproverna. Efter additiv tillverkning frästes kärnstrukturen på en profilfräsmaskin. G-koden som krävs för denna operation genereras automatiskt från verktygsbanor som redan skapats för 3D-utskriftsprocessen. Kärnstrukturen behöver tryckas något högre än den avsedda kärnhöjden. I detta exempel har den 18 mm tjocka kärnstrukturen reducerats till 14 mm.
Denna del av tillverkningsprocessen är en stor utmaning för full automatisering. Användningen av lim ställer höga krav på maskinernas noggrannhet och precision. Det pneumatiska doseringssystemet används för att applicera limmet längs kärnstrukturen. Den styrs av roboten längs fräsytan i enlighet med den definierade verktygsbanan. Det visar sig att det är särskilt fördelaktigt att ersätta den traditionella dispenseringsspetsen med en borste. Detta gör att lim med låg viskositet kan dispenseras jämnt i volym. Denna mängd bestäms av trycket i systemet och robotens hastighet. För större precision och hög limningskvalitet föredras låga körhastigheter på 200 till 800 mm/min.
Akrylat med en medelviskositet av 1500 mPa*s applicerades på väggen av polymerkärnan 6 mm bred med användning av en doseringsborste med en innerdiameter av 0,84 mm och en borstbredd av 5 vid ett applicerat tryck av 0,3 till 0,6 mbar. mm. Limmet sprids sedan över underlagets yta och bildar ett 1 mm tjockt lager på grund av ytspänningen. Den exakta bestämningen av limtjockleken kan ännu inte automatiseras. Processens varaktighet är ett viktigt kriterium för att välja ett lim. Den här tillverkade kärnstrukturen har en spårlängd på 26 m och därför en appliceringstid på 30 till 60 minuter.
Efter att ha applicerat limmet, installera dubbelglasfönstret på plats. På grund av materialets låga tjocklek är tunt glas redan kraftigt deformerat av sin egen vikt och måste därför placeras så jämnt som möjligt. För detta används pneumatiska sugkoppar av glas med tidsspridda sugkoppar. Den placeras på komponenten med hjälp av en kran och kan i framtiden placeras direkt med hjälp av robotar. Glasplattan placerades parallellt med ytan av kärnan på limskiktet. På grund av den lägre vikten ökar en extra glasplatta (4 till 6 mm tjock) trycket på den.
Resultatet bör bli fullständig vätning av glasytan längs kärnstrukturen, vilket kan bedömas från en första visuell inspektion av synliga färgskillnader. Appliceringsprocessen kan också ha en betydande inverkan på kvaliteten på den slutliga limfogen. Efter limning får glaspanelerna inte flyttas eftersom detta kommer att resultera i synliga limrester på glaset och defekter i själva limskiktet. Slutligen härdas limmet med UV-strålning vid en våglängd av 365 nm. För att göra detta passerar en UV-lampa med en effekttäthet på 6 mW/cm2 gradvis över hela limytan i 60 s.
Konceptet med lätta och anpassningsbara tunna glaskompositpaneler med additivt tillverkad polymerkärna som diskuteras här är avsett att användas i framtida fasader. Således måste kompositpaneler uppfylla tillämpliga standarder och uppfylla kraven för driftgränstillstånd (SLS), brottgränstillstånd (ULS) och säkerhetskrav. Därför måste kompositpaneler vara säkra, starka och styva nog att motstå belastningar (som ytbelastningar) utan att gå sönder eller överdriven deformation. För att undersöka den mekaniska responsen hos tidigare tillverkade tunna glaskompositpaneler (som beskrivs i avsnittet Mekanisk testning), utsattes de för vindbelastningstester som beskrivs i nästa underavsnitt.
Syftet med fysisk provning är att studera de mekaniska egenskaperna hos kompositpaneler av ytterväggar under vindbelastning. För detta ändamål tillverkades kompositpaneler bestående av en 3 mm tjock ytterplåt av härdat glas och en 14 mm tjock tillsatstillverkad kärna (från PIPG-GF20) enligt beskrivningen ovan med hjälp av Henkel Loctite AA 3345-lim (Fig. 7 till vänster). )). . Kompositpanelerna fästs sedan på trästödramen med metallskruvar som drivs genom träramen och in i sidorna av huvudkonstruktionen. 30 skruvar placerades runt panelens omkrets (se den svarta linjen till vänster i fig. 7) för att återskapa de linjära stödförhållandena runt omkretsen så nära som möjligt.
Testramen förseglades sedan till den yttre testväggen genom att applicera vindtryck eller vindsug bakom kompositpanelen (Figur 7, uppe till höger). Ett digitalt korrelationssystem (DIC) används för att registrera data. För att göra detta är det yttre glaset på kompositpanelen täckt med ett tunt elastiskt ark tryckt på det med ett pärllinjeljusmönster (Fig. 7, nedre höger). DIC använder två kameror för att registrera den relativa positionen för alla mätpunkter på hela glasytan. Två bilder per sekund spelades in och användes för utvärdering. Trycket i kammaren, omgiven av kompositpaneler, ökas med hjälp av en fläkt i steg om 1000 Pa upp till ett maxvärde på 4000 Pa, så att varje belastningsnivå bibehålls i 10 sekunder.
Den fysiska uppställningen av experimentet representeras också av en numerisk modell med samma geometriska dimensioner. För detta används det numeriska programmet Ansys Mechanical. Kärnstrukturen var geometriskt nät med hjälp av SOLID 185 hexagonala element med 20 mm sidor för glas och SOLID 187 tetraedriska element med 3 mm sidor. För att förenkla modelleringen antas här i detta skede av studien att det använda akrylatet är idealiskt styvt och tunt och definieras som en styv bindning mellan glaset och kärnmaterialet.
De sammansatta panelerna är fixerade i en rak linje utanför kärnan, och glaspanelen utsätts för en yttrycksbelastning på 4000 Pa. Även om geometriska olinjäriteter togs i beaktande vid modelleringen, användes endast linjära materialmodeller i detta skede av studera. Även om detta är ett giltigt antagande för glasets linjära elastiska respons (E = 70 000 MPa), enligt databladet från tillverkaren av det (viskoelastiska) polymera kärnmaterialet [17], användes den linjära styvheten E = 8245 MPa i den aktuella analysen bör noggrant övervägas och kommer att studeras i framtida forskning.
Resultaten som presenteras här utvärderas främst för deformationer vid maximala vindlaster upp till 4000 Pa (=ˆ4kN/m2). För detta jämfördes bilderna inspelade med DIC-metoden med resultaten av numerisk simulering (FEM) (Fig. 8, längst ner till höger). Medan en idealisk total töjning på 0 mm med "ideala" linjära stöd i kantområdet (dvs. panelomkrets) beräknas i FEM, måste den fysiska förskjutningen av kantområdet beaktas vid utvärdering av DIC. Detta beror på installationstoleranser och deformation av testramen och dess tätningar. Som jämförelse subtraherades medelförskjutningen i kantområdet (streckad vit linje i fig. 8) från den maximala förskjutningen i mitten av panelen. Förskjutningarna bestämda av DIC och FEA jämförs i tabell 1 och visas grafiskt i det övre vänstra hörnet av fig. 8.
De fyra applicerade belastningsnivåerna i den experimentella modellen användes som kontrollpunkter för utvärdering och utvärderades i FEM. Den maximala centrala förskjutningen av kompositplattan i obelastat tillstånd bestämdes genom DIC-mätningar vid en lastnivå av 4000 Pa vid 2,18 mm. Medan FEA-förskjutningar vid lägre belastningar (upp till 2000 Pa) fortfarande kan reproducera experimentella värden exakt, kan den icke-linjära ökningen av töjningen vid högre belastningar inte exakt beräknas.
Studier har dock visat att kompositpaneler tål extrema vindbelastningar. Den höga styvheten hos de lätta panelerna sticker ut särskilt. Med hjälp av analytiska beräkningar baserade på den linjära teorin för Kirchhoff-plattor [20] motsvarar en deformation på 2,18 mm vid 4000 Pa deformationen av en enda glasplatta 12 mm tjock under samma randvillkor. Som ett resultat kan tjockleken på glaset (som är energikrävande i produktionen) i denna kompositpanel reduceras till 2 x 3 mm glas, vilket resulterar i en materialbesparing på 50 %. Att minska panelens totalvikt ger ytterligare fördelar när det gäller montering. Medan en 30 kg kompositpanel lätt kan hanteras av två personer, kräver en traditionell 50 kg glaspanel teknisk support för att kunna förflyttas säkert. För att korrekt representera det mekaniska beteendet kommer mer detaljerade numeriska modeller att krävas i framtida studier. Finita elementanalys kan förbättras ytterligare med mer omfattande olinjära materialmodeller för polymerer och limbindningsmodellering.
Utveckling och förbättring av digitala processer spelar en nyckelroll för att förbättra den ekonomiska och miljömässiga prestandan i byggbranschen. Dessutom lovar användningen av tunt glas i fasader energi- och resursbesparingar och öppnar för nya möjligheter för arkitektur. Men på grund av den lilla tjockleken på glaset krävs nya designlösningar för att förstärka glaset tillräckligt. Därför utforskar studien som presenteras i den här artikeln konceptet med kompositpaneler gjorda av tunt glas och sammanfogade förstärkta 3D-tryckta polymerkärnstrukturer. Hela produktionsprocessen från design till produktion har digitaliserats och automatiserats. Med hjälp av Grasshopper utvecklades ett arbetsflöde från fil till fabrik för att möjliggöra användning av tunna glaskompositpaneler i framtida fasader.
Produktionen av den första prototypen demonstrerade genomförbarheten och utmaningarna med robottillverkning. Även om additiv och subtraktiv tillverkning redan är väl integrerad, innebär helt automatiserad limapplicering och montering i synnerhet ytterligare utmaningar att ta itu med i framtida forskning. Genom preliminära mekaniska tester och tillhörande finita elementforskningsmodellering har det visat sig att lätta och tunna glasfiberpaneler ger tillräcklig böjstyvhet för sina avsedda fasadapplikationer, även under extrema vindbelastningsförhållanden. Författarnas pågående forskning kommer att ytterligare utforska potentialen hos digitalt tillverkade tunna glaskompositpaneler för fasadapplikationer och visa deras effektivitet.
Författarna vill tacka alla anhängare som är kopplade till detta forskningsarbete. Tack vare EFRE SAB:s finansieringsprogram finansierat av Europeiska unionens medel i form av anslag nr för att tillhandahålla ekonomiska resurser för inköp av en manipulator med en extruder och en fräsanordning. 100537005. Dessutom erkändes AiF-ZIM för att finansiera forskningsprojektet Glasfur3D (bidragsnummer ZF4123725WZ9) i samarbete med Glaswerkstätten Glas Ahne, som gav betydande stöd för detta forskningsarbete. Slutligen erkänner Friedrich Siemens Laboratory och dess samarbetspartners, särskilt Felix Hegewald och studentassistent Jonathan Holzerr, det tekniska stödet och implementeringen av tillverkningen och de fysiska testerna som låg till grund för detta dokument.
Posttid: 2023-04-04