O uso de vidro fino promete cumprir varias tarefas na industria da construción. Ademais dos beneficios ambientais dun uso máis eficiente dos recursos, os arquitectos poden usar vidro fino para acadar novos graos de liberdade de deseño. Baseándose na teoría do bocadillo, o vidro fino flexible pódese combinar cun núcleo de polímero de células abertas impreso en 3D para formar un material moi ríxido e lixeiro.
elementos compostos. Este artigo presenta un intento exploratorio de fabricación dixital de paneis finos de fachada de composto de vidro mediante robots industriais. Explica o concepto de dixitalización de fluxos de traballo de fábrica a fábrica, incluído o deseño asistido por ordenador (CAD), a enxeñaría (CAE) e a fabricación (CAM). O estudo demostra un proceso de deseño paramétrico que permite a integración perfecta de ferramentas de análise dixital.
Ademais, este proceso demostra o potencial e os retos da fabricación dixital de paneis compostos de vidro fino. Aquí explícanse algúns dos pasos de fabricación que realiza un brazo robótico industrial, como a fabricación aditiva de gran formato, o mecanizado de superficies, os procesos de pegado e montaxe. Finalmente, por primeira vez, obtívose un profundo coñecemento das propiedades mecánicas dos paneis compostos mediante estudos experimentais e numéricos e a avaliación das propiedades mecánicas dos paneis compostos baixo carga superficial. O concepto xeral do fluxo de traballo de deseño e fabricación dixital, así como os resultados dos estudos experimentais, proporcionan unha base para unha maior integración dos métodos de análise e definición de formas, así como para realizar amplos estudos mecanicistas en estudos futuros.
Os métodos de fabricación dixital permítennos mellorar a produción transformando os métodos tradicionais e proporcionando novas posibilidades de deseño [1]. Os métodos de construción tradicionais tenden a utilizar en exceso os materiais en termos de custo, xeometría básica e seguridade. Ao trasladar a construción ás fábricas, utilizar a prefabricación modular e a robótica para implementar novos métodos de deseño, os materiais pódense utilizar de forma eficiente sen comprometer a seguridade. A fabricación dixital permítenos ampliar a nosa imaxinación de deseño para crear formas xeométricas máis diversas, eficientes e ambiciosas. Aínda que os procesos de deseño e cálculo foron en gran parte dixitalizados, a fabricación e a montaxe aínda se fan en gran parte a man de xeito tradicional. Para facer fronte a estruturas de forma libre cada vez máis complexas, os procesos de fabricación dixital están a ser cada vez máis importantes. O desexo de liberdade e flexibilidade de deseño, especialmente cando se trata de fachadas, está a medrar de forma constante. Ademais do efecto visual, as fachadas de forma libre tamén permiten crear estruturas máis eficientes, por exemplo, mediante o uso de efectos de membrana [2]. Ademais, o gran potencial dos procesos de fabricación dixital reside na súa eficiencia e na posibilidade de optimización do deseño.
Este artigo explora como se pode usar a tecnoloxía dixital para deseñar e fabricar un innovador panel de fachada composto composto por un núcleo de polímero fabricado aditivamente e paneis exteriores de vidro fino unidos. Ademais das novas posibilidades arquitectónicas asociadas ao uso de vidro fino, os criterios ambientais e económicos tamén foron motivacións importantes para utilizar menos material para construír a envolvente do edificio. Co cambio climático, a escaseza de recursos e o aumento dos prezos da enerxía no futuro, o vidro debe usarse de forma máis intelixente. O uso de vidro fino de menos de 2 mm de espesor da industria electrónica fai a fachada lixeira e reduce o uso de materias primas.
Debido á alta flexibilidade do vidro fino, abre novas posibilidades para aplicacións arquitectónicas e ao mesmo tempo supón novos retos de enxeñería [3,4,5,6]. Aínda que a implementación actual de proxectos de fachadas que usan vidro fino é limitada, o vidro fino está sendo cada vez máis utilizado nos estudos de enxeñería civil e arquitectura. Debido á alta capacidade de deformación elástica do vidro fino, o seu uso en fachadas require solucións estruturais reforzadas [7]. Ademais de explotar o efecto membrana debido á xeometría curva [8], o momento de inercia tamén se pode aumentar mediante unha estrutura multicapa formada por un núcleo de polímero e unha lámina exterior de vidro delgada pegada. Este enfoque mostrouse prometedor debido ao uso dun núcleo duro de policarbonato transparente, que é menos denso que o vidro. Ademais da acción mecánica positiva, cumpríronse criterios de seguridade adicionais [9].
O enfoque do seguinte estudo baséase no mesmo concepto, pero utilizando un núcleo translúcido de poro aberto fabricado aditivamente. Isto garante un maior grao de liberdade xeométrica e posibilidades de deseño, así como a integración das funcións físicas do edificio [10]. Tales paneis compostos demostraron ser particularmente eficaces nas probas mecánicas [11] e prometen reducir a cantidade de vidro empregado ata nun 80%. Isto non só reducirá os recursos necesarios, senón que tamén reducirá significativamente o peso dos paneis, aumentando así a eficiencia da subestrutura. Pero as novas formas de construción requiren novas formas de produción. As estruturas eficientes requiren procesos de fabricación eficientes. O deseño dixital contribúe á fabricación dixital. Este artigo continúa a investigación previa do autor presentando un estudo do proceso de fabricación dixital de paneis finos compostos de vidro para robots industriais. O foco está na dixitalización do fluxo de traballo de ficheiro a fábrica dos primeiros prototipos de gran formato para aumentar a automatización do proceso de fabricación.
O panel composto (Figura 1) consta de dúas capas finas de vidro envoltas nun núcleo de polímero AM. As dúas partes están conectadas con cola. O obxectivo deste deseño é distribuír a carga por toda a sección da forma máis eficiente posible. Os momentos de flexión crean esforzos normais na capa. As forzas laterais provocan esforzos cortantes no núcleo e nas xuntas adhesivas.
A capa exterior da estrutura do bocadillo está feita de vidro fino. En principio empregarase vidro de silicato de sosa cal. Cun espesor obxectivo < 2 mm, o proceso de templado térmico alcanza o límite tecnolóxico actual. O vidro de aluminosilicato reforzado químicamente pode considerarse especialmente adecuado se se require unha maior resistencia debido ao deseño (por exemplo, paneis dobrados en frío) ou ao uso [12]. As funcións de transmisión da luz e protección ambiental complementaranse cunhas boas propiedades mecánicas, como unha boa resistencia aos arañazos e un módulo de Young relativamente alto en comparación con outros materiais utilizados nos compostos. Debido ao tamaño limitado dispoñible para o vidro fino endurecido químicamente, utilizáronse paneis de vidro sódico-cal de 3 mm de espesor totalmente temperado para crear o primeiro prototipo a gran escala.
A estrutura de apoio considérase como unha parte conformada do panel composto. Case todos os atributos están afectados por iso. Grazas ao método de fabricación aditiva, tamén é o centro do proceso de fabricación dixital. Os termoplásticos son procesados por fusión. Isto fai posible utilizar un gran número de polímeros diferentes para aplicacións específicas. A topoloxía dos principais elementos pódese deseñar con diferente énfase dependendo da súa función. Para este fin, o deseño de formas pódese dividir nas seguintes catro categorías de deseño: deseño estrutural, deseño funcional, deseño estético e deseño de produción. Cada categoría pode ter diferentes propósitos, o que pode dar lugar a diferentes topoloxías.
Durante o estudo preliminar probáronse algúns dos principais deseños para determinar a idoneidade do seu deseño [11]. Desde o punto de vista mecánico, a superficie do núcleo mínimo de tres períodos do xiroscopio é particularmente eficaz. Isto proporciona unha alta resistencia mecánica á flexión cun consumo de material relativamente baixo. Ademais das estruturas básicas celulares reproducidas nas rexións superficiais, a topoloxía tamén se pode xerar mediante outras técnicas de busca de formas. A xeración de liñas de tensión é unha das posibles formas de optimizar a rixidez co menor peso posible [13]. Non obstante, a estrutura de panal, moi utilizada nas construcións de bocadillos, utilizouse como punto de partida para o desenvolvemento da liña de produción. Esta forma básica leva a un rápido progreso na produción, especialmente a través da fácil programación da ruta de ferramentas. O seu comportamento en paneis compostos foi moi estudado [14, 15, 16] e a aparencia pódese cambiar de moitas maneiras mediante a parametrización e tamén se pode usar para conceptos de optimización iniciais.
Hai moitos polímeros termoplásticos a ter en conta á hora de escoller un polímero, dependendo do proceso de extrusión utilizado. Os estudos preliminares iniciais de materiais a pequena escala reduciron o número de polímeros considerados axeitados para o seu uso en fachadas [11]. O policarbonato (PC) é prometedor debido á súa resistencia á calor, resistencia UV e alta rixidez. Debido ao investimento técnico e financeiro adicional necesario para procesar o policarbonato, utilizouse tereftalato de polietileno modificado con etilenglicol (PETG) para producir os primeiros prototipos. É particularmente fácil de procesar a temperaturas relativamente baixas cun baixo risco de tensión térmica e deformación dos compoñentes. O prototipo que se mostra aquí está feito de PETG reciclado chamado PIPG. O material secouse previamente a 60 °C durante polo menos 4 horas e procesouse en gránulos cun contido de fibra de vidro do 20% [17].
O adhesivo proporciona unha forte unión entre a estrutura do núcleo do polímero e a fina tapa de vidro. Cando os paneis compostos están sometidos a cargas de flexión, as unións adhesivas están sometidas a un esforzo cortante. Polo tanto, é preferible un adhesivo máis duro e pode reducir a deflexión. Os adhesivos transparentes tamén axudan a proporcionar unha alta calidade visual cando se unen a vidro transparente. Outro factor importante á hora de elixir un adhesivo é a fabricabilidade e a integración nos procesos de produción automatizados. Aquí os adhesivos de curado UV con tempos de curado flexibles poden simplificar moito a colocación das capas de cobertura. En base a probas preliminares, probouse unha serie de adhesivos para determinar a súa idoneidade para paneis finos compostos de vidro [18]. Loctite® AA 3345™ acrilato curable UV [19] demostrou ser particularmente adecuado para o seguinte proceso.
Para aproveitar as posibilidades da fabricación aditiva e a flexibilidade do vidro fino, todo o proceso foi deseñado para traballar dixital e paramétricamente. Grasshopper úsase como interface de programación visual, evitando interfaces entre diferentes programas. Todas as disciplinas (enxeñaría, enxeñaría e fabricación) apoiaranse e complementaranse nun ficheiro con comentarios directos do operador. Nesta fase do estudo, o fluxo de traballo aínda está en desenvolvemento e segue o patrón mostrado na Figura 2. Os diferentes obxectivos pódense agrupar en categorías dentro das disciplinas.
Aínda que a produción de paneis sándwich neste documento foi automatizada cun deseño centrado no usuario e a preparación da fabricación, a integración e validación de ferramentas de enxeñería individuais non se realizou completamente. A partir do deseño paramétrico da xeometría da fachada, é posible deseñar a capa exterior do edificio a nivel macro (fachada) e meso (paneis de fachada). No segundo paso, o bucle de retroalimentación de enxeñería ten como obxectivo avaliar a seguridade e a idoneidade, así como a viabilidade da fabricación de muros cortina. Finalmente, os paneis resultantes están listos para a produción dixital. O programa procesa a estrutura principal desenvolvida en código G lexible por máquina e prepáraa para a fabricación aditiva, o post-procesamento subtractivo e a unión de vidro.
O proceso de deseño considérase en dous niveis diferentes. Ademais de que a macroforma das fachadas afecta á xeometría de cada panel composto, a topoloxía do propio núcleo tamén se pode deseñar a nivel meso. Cando se utiliza un modelo de fachada paramétrico, a forma e o aspecto poden verse influenciados polas seccións de fachada de exemplo usando os controles deslizantes que se mostran na Figura 3. Así, a superficie total consiste nunha superficie escalable definida polo usuario que se pode deformar usando atractores puntuais e modificada mediante especificando un mínimo e o grao máximo de deformación. Isto proporciona un alto grao de flexibilidade no deseño das envolventes do edificio. Non obstante, este grao de liberdade está limitado por restricións técnicas e de fabricación, que despois son aplicadas polos algoritmos na parte de enxeñaría.
Ademais da altura e anchura de toda a fachada, determínase a división dos paneis da fachada. En canto aos paneis individuais de fachada, pódense definir con maior precisión a nivel meso. Isto afecta á topoloxía da propia estrutura do núcleo, así como ao grosor do vidro. Estas dúas variables, así como o tamaño do panel, teñen unha importante relación co modelado de enxeñaría mecánica. O deseño e desenvolvemento de todo o nivel macro e meso pódese levar a cabo en termos de optimización nas catro categorías de estrutura, función, estética e deseño de produto. Os usuarios poden desenvolver o aspecto xeral da envolvente do edificio priorizando estas áreas.
O proxecto está apoiado pola parte de enxeñería mediante un bucle de feedback. Para este fin, os obxectivos e as condicións de contorno defínense na categoría de optimización que se mostra na figura 2. Proporcionan corredores técnicamente viables, fisicamente sólidos e seguros de construír desde o punto de vista da enxeñaría, o que ten un impacto significativo no deseño. Este é o punto de partida de varias ferramentas que se poden integrar directamente en Grasshopper. En investigacións posteriores, as propiedades mecánicas pódense avaliar mediante Análise de Elementos Finitos (FEM) ou mesmo cálculos analíticos.
Ademais, os estudos de radiación solar, a análise da liña de visión e o modelado de duración da luz solar poden avaliar o impacto dos paneis compostos na física dos edificios. É importante non limitar en exceso a velocidade, a eficiencia e a flexibilidade do proceso de deseño. Polo tanto, os resultados obtidos aquí foron deseñados para proporcionar orientación e apoio adicional ao proceso de deseño e non son un substituto da análise e xustificación detallada ao final do proceso de deseño. Este plan estratéxico senta as bases para novas investigacións categóricas para obter resultados comprobados. Por exemplo, aínda se sabe pouco sobre o comportamento mecánico dos paneis compostos en varias condicións de carga e soporte.
Unha vez que se completa o deseño e a enxeñaría, o modelo está listo para a produción dixital. O proceso de fabricación divídese en catro subetapas (Fig. 4). En primeiro lugar, a estrutura principal foi fabricada aditivamente mediante unha instalación de impresión 3D robótica a gran escala. A superficie fresase despois co mesmo sistema robótico para mellorar a calidade da superficie necesaria para unha boa unión. Despois do fresado, o adhesivo aplícase ao longo da estrutura do núcleo mediante un sistema de dosificación especialmente deseñado montado no mesmo sistema robótico utilizado para o proceso de impresión e fresado. Finalmente, o vidro instálase e colócase antes do curado UV da unión unida.
Para a fabricación aditiva, a topoloxía definida da estrutura subxacente debe traducirse á linguaxe de máquina CNC (GCode). Para obter resultados uniformes e de alta calidade, o obxectivo é imprimir cada capa sen que a boquilla do extrusor se desprenda. Isto evita unha sobrepresión non desexada ao comezo e ao final do movemento. Polo tanto, escribiuse un script de xeración de traxectoria continua para o patrón de cela que se está a utilizar. Isto creará unha poliliña continua paramétrica cos mesmos puntos de inicio e final, que se adapta ao tamaño do panel seleccionado, número e tamaño dos panales segundo o deseño. Ademais, antes de colocar liñas pódense especificar parámetros como o ancho e o alto da liña para acadar a altura desexada da estrutura principal. O seguinte paso no script é escribir os comandos do código G.
Isto realízase rexistrando as coordenadas de cada punto da liña con información adicional da máquina, como outros eixes relevantes para o posicionamento e o control do volume de extrusión. O código G resultante pódese transferir ás máquinas de produción. Neste exemplo, utilízase un brazo de robot industrial Comau NJ165 sobre un carril lineal para controlar unha extrusora CEAD E25 segundo o código G (Figura 5). O primeiro prototipo utilizou PETG postindustrial cun contido de fibra de vidro do 20%. En termos de probas mecánicas, o tamaño obxectivo é próximo ao tamaño da industria da construción, polo que as dimensións do elemento principal son 1983 × 876 mm con 6 × 4 celas de panal de mel. 6 mm e 2 mm de alto.
As probas preliminares demostraron que hai unha diferenza na forza adhesiva entre o adhesivo e a resina de impresión 3D dependendo das súas propiedades de superficie. Para iso, as mostras de proba de fabricación aditiva son pegadas ou laminadas ao vidro e sometidas a tensión ou cizallamento. Durante o procesamento mecánico preliminar da superficie do polímero por fresado, a resistencia aumentou significativamente (Fig. 6). Ademais, mellora a planitude do núcleo e evita os defectos causados pola sobreextrusión. O acrilato LOCTITE® AA 3345™ [19] curable UV usado aquí é sensible ás condicións de procesamento.
Isto adoita dar lugar a unha desviación estándar máis alta para as mostras de proba de enlace. Despois da fabricación aditiva, a estrutura do núcleo foi fresada nunha fresadora de perfiles. O código G necesario para esta operación xérase automaticamente a partir de rutas de ferramentas xa creadas para o proceso de impresión 3D. A estrutura do núcleo debe imprimirse lixeiramente máis alta que a altura do núcleo desexada. Neste exemplo, a estrutura do núcleo de 18 mm de espesor reduciuse a 14 mm.
Esta parte do proceso de fabricación é un gran desafío para a automatización total. O uso de adhesivos esixe a precisión e precisión das máquinas. O sistema de dosificación pneumático úsase para aplicar o adhesivo ao longo da estrutura do núcleo. É guiado polo robot ao longo da superficie de fresado segundo o camiño da ferramenta definido. Resulta que substituír a punta de dispensación tradicional por un cepillo é especialmente vantaxoso. Isto permite que os adhesivos de baixa viscosidade se dispensen uniformemente por volume. Esta cantidade está determinada pola presión no sistema e a velocidade do robot. Para unha maior precisión e alta calidade de unión, prefiren baixas velocidades de desprazamento de 200 a 800 mm/min.
Aplicouse acrilato cunha viscosidade media de 1500 mPa*s á parede do núcleo de polímero de 6 mm de ancho usando un cepillo dosificador cun diámetro interior de 0,84 mm e un ancho de cepillo de 5 a unha presión aplicada de 0,3 a 0,6 mbar. mm. A continuación, o adhesivo espállase pola superficie do substrato e forma unha capa de 1 mm de espesor debido á tensión superficial. Aínda non se pode automatizar a determinación exacta do espesor do adhesivo. A duración do proceso é un criterio importante para escoller un adhesivo. A estrutura do núcleo producida aquí ten unha lonxitude de vía de 26 m e, polo tanto, un tempo de aplicación de 30 a 60 minutos.
Despois de aplicar o adhesivo, instale a fiestra de dobre acristalamento no seu lugar. Debido ao baixo espesor do material, o vidro fino xa está fortemente deformado polo seu propio peso e, polo tanto, debe colocarse o máis uniforme posible. Para iso utilízanse ventosas pneumáticas de vidro con ventosas dispersas no tempo. Colócase sobre o compoñente mediante unha grúa, e no futuro poderá colocarse directamente mediante robots. A placa de vidro colocouse paralela á superficie do núcleo sobre a capa adhesiva. Debido ao peso máis lixeiro, unha placa de vidro adicional (de 4 a 6 mm de espesor) aumenta a presión sobre ela.
O resultado debe ser a humectación completa da superficie de vidro ao longo da estrutura do núcleo, como se pode xulgar a partir dunha inspección visual inicial das diferenzas de cor visibles. O proceso de solicitude tamén pode ter un impacto significativo na calidade da unión unida final. Unha vez pegados, os paneis de vidro non deben moverse xa que isto provocará residuos de adhesivo visibles no vidro e defectos na capa de adhesivo real. Finalmente, o adhesivo curase con radiación UV a unha lonxitude de onda de 365 nm. Para iso, unha lámpada UV cunha densidade de potencia de 6 mW/cm2 pásase gradualmente por toda a superficie adhesiva durante 60 s.
O concepto de paneis compostos de vidro fino e lixeiros e personalizables con núcleo de polímero fabricado aditivo que se discute aquí está pensado para o seu uso en fachadas futuras. Así, os paneis compostos deben cumprir coas normas aplicables e cumprir os requisitos de estados límite de servizo (SLS), estados límite de resistencia final (ULS) e requisitos de seguridade. Polo tanto, os paneis compostos deben ser o suficientemente seguros, resistentes e ríxidos como para soportar cargas (como cargas superficiais) sen romper nin deformarse excesivamente. Para investigar a resposta mecánica dos paneis compostos de vidro fino fabricados previamente (como se describe na sección de Probas mecánicas), sometéronse a probas de carga do vento como se describe na seguinte subsección.
O propósito das probas físicas é estudar as propiedades mecánicas dos paneis compostos de muros exteriores baixo cargas de vento. Para este fin, paneis compostos compostos por unha folla exterior de vidro temperado completo de 3 mm de espesor e un núcleo de 14 mm de espesor fabricado aditivamente (de PIPG-GF20) como se describe anteriormente usando adhesivo Henkel Loctite AA 3345 (Fig. 7 esquerda). )). . A continuación, os paneis compostos únense ao cadro de soporte de madeira con parafusos metálicos que se introducen a través do cadro de madeira e nos lados da estrutura principal. Colocáronse 30 parafusos ao redor do perímetro do panel (ver a liña negra da esquerda na Fig. 7) para reproducir as condicións de apoio lineal ao redor do perímetro o máis preto posible.
A continuación, seladou o cadro de proba á parede exterior de proba aplicando presión do vento ou succión do vento detrás do panel composto (Figura 7, arriba á dereita). Para rexistrar datos utilízase un sistema de correlación dixital (DIC). Para iso, o vidro exterior do panel composto está cuberto cunha fina lámina elástica impresa nel cun patrón de ruído nacarado (Fig. 7, inferior dereita). DIC usa dúas cámaras para rexistrar a posición relativa de todos os puntos de medición en toda a superficie do vidro. Graváronse dúas imaxes por segundo e utilizáronse para a súa avaliación. A presión na cámara, rodeada de paneis compostos, increméntase mediante un ventilador en incrementos de 1000 Pa ata un valor máximo de 4000 Pa, de forma que cada nivel de carga se mantén durante 10 segundos.
A configuración física do experimento tamén se representa mediante un modelo numérico coas mesmas dimensións xeométricas. Para iso utilízase o programa numérico Ansys Mechanical. A estrutura do núcleo foi de malla xeométrica utilizando elementos hexagonais SOLID 185 con lados de 20 mm para vidro e elementos tetraédricos SOLID 187 con lados de 3 mm. Para simplificar o modelado, nesta fase do estudo, asúmese aquí que o acrilato empregado é idealmente ríxido e delgado, e defínese como unha unión ríxida entre o vidro e o material do núcleo.
Os paneis compostos están fixados en liña recta fóra do núcleo, e o panel de vidro está sometido a unha carga de presión superficial de 4000 Pa. Aínda que no modelado se tiveron en conta as non linealidades xeométricas, só se utilizaron modelos de materiais lineais nesta fase do proceso. estudar. Aínda que esta é unha suposición válida para a resposta elástica lineal do vidro (E = 70.000 MPa), segundo a folla de datos do fabricante do material de núcleo polimérico (viscoelástico) [17], utilizouse a rixidez lineal E = 8245 MPa. a análise actual debe ser considerada con rigor e estudarase en futuras investigacións.
Os resultados aquí presentados avalíanse principalmente para deformacións con cargas máximas de vento de ata 4000 Pa (=ˆ4kN/m2). Para iso, comparáronse as imaxes gravadas polo método DIC cos resultados da simulación numérica (FEM) (Fig. 8, inferior dereita). Aínda que no FEM se calcula unha deformación total ideal de 0 mm con apoios lineais "ideais" na rexión do bordo (é dicir, o perímetro do panel), o desprazamento físico da rexión do bordo debe terse en conta ao avaliar o DIC. Isto débese ás tolerancias de instalación e á deformación do marco de proba e os seus selos. Para comparación, o desprazamento medio na rexión do bordo (liña branca discontinua na figura 8) foi substraído do desprazamento máximo no centro do panel. Os desprazamentos determinados por DIC e FEA compáranse na táboa 1 e móstranse graficamente na esquina superior esquerda da figura 8.
Os catro niveis de carga aplicados do modelo experimental utilizáronse como puntos de control para a súa avaliación e avaliáronse no FEM. O desprazamento central máximo da placa composta no estado sen carga determinouse mediante medicións DIC a un nivel de carga de 4000 Pa a 2,18 mm. Aínda que os desprazamentos de FEA con cargas máis baixas (ata 2000 Pa) aínda poden reproducir con precisión os valores experimentais, o aumento non lineal da deformación a cargas máis altas non se pode calcular con precisión.
Non obstante, os estudos demostraron que os paneis compostos poden soportar cargas de vento extremas. Destaca especialmente a alta rixidez dos paneis lixeiros. Usando cálculos analíticos baseados na teoría lineal das placas de Kirchhoff [20], unha deformación de 2,18 mm a 4000 Pa corresponde á deformación dunha única placa de vidro de 12 mm de espesor nas mesmas condicións de contorno. Como resultado, o grosor do vidro (que consume enerxía na produción) neste panel composto pódese reducir a 2 x 3 mm de vidro, o que supón un aforro de material do 50%. A redución do peso total do panel proporciona beneficios adicionais en termos de montaxe. Mentres que un panel composto de 30 kg pode ser manipulado facilmente por dúas persoas, un panel de vidro tradicional de 50 kg require apoio técnico para moverse con seguridade. Para representar con precisión o comportamento mecánico, serán necesarios modelos numéricos máis detallados en estudos futuros. A análise de elementos finitos pódese mellorar aínda máis con modelos de materiais non lineais máis extensos para polímeros e modelado de enlaces adhesivos.
O desenvolvemento e mellora dos procesos dixitais xogan un papel fundamental na mellora do rendemento económico e ambiental da industria da construción. Ademais, o uso de vidro fino nas fachadas promete un aforro enerxético e de recursos e abre novas posibilidades para a arquitectura. Non obstante, debido ao pequeno grosor do vidro, son necesarias novas solucións de deseño para reforzar adecuadamente o vidro. Polo tanto, o estudo presentado neste artigo explora o concepto de paneis compostos feitos de vidro fino e estruturas de núcleo de polímero impresas en 3D reforzadas unidas. Todo o proceso de produción dende o deseño ata a produción foi dixitalizado e automatizado. Coa axuda de Grasshopper, desenvolveuse un fluxo de traballo de arquivo a fábrica para permitir o uso de paneis compostos de vidro finos en futuras fachadas.
A produción do primeiro prototipo demostrou a viabilidade e os retos da fabricación robótica. Aínda que a fabricación aditiva e substractiva xa están ben integradas, a aplicación e a montaxe de adhesivos totalmente automatizadas, en particular, presentan retos adicionais que se deben abordar en futuras investigacións. Mediante probas mecánicas preliminares e modelado de investigación de elementos finitos asociados, demostrouse que os paneis de fibra de vidro lixeiros e finos proporcionan suficiente rixidez á flexión para as súas aplicacións de fachada previstas, mesmo en condicións de carga de vento extremas. A investigación en curso dos autores explorará aínda máis o potencial dos paneis compostos de vidro fino fabricados dixitalmente para aplicacións en fachadas e demostrará a súa eficacia.
Os autores queren agradecer a todos os apoios asociados a este traballo de investigación. Grazas ao programa de financiamento EFRE SAB financiado con fondos da Unión Europea en concepto de subvención no para achegar recursos económicos para a compra dun manipulador con extrusora e fresadora. 100537005. Ademais, AiF-ZIM foi recoñecido por financiar o proxecto de investigación Glasfur3D (número de subvención ZF4123725WZ9) en colaboración con Glaswerkstätten Glas Ahne, que proporcionou un apoio significativo para este traballo de investigación. Finalmente, o Laboratorio Friedrich Siemens e os seus colaboradores, especialmente Felix Hegewald e o alumno asistente Jonathan Holzerr, recoñecen o apoio técnico e a implementación da fabricación e probas físicas que constituíron a base para este traballo.
Hora de publicación: 04-ago-2023