Dijital olarak üretilmiş ince cam kompozit cephe panellerinin prototipleri

İnce cam kullanımı inşaat sektöründe çeşitli görevleri yerine getirmeyi vaat ediyor. Kaynakların daha verimli kullanılmasının getirdiği çevresel faydalara ek olarak mimarlar, yeni tasarım özgürlüğü düzeylerine ulaşmak için ince cam kullanabilirler. Sandviç teorisine dayalı olarak esnek ince cam, 3D baskılı açık hücreli polimer çekirdek ile bir araya getirilerek çok sert ve hafif bir yapı oluşturulabilir. kompozit elemanlar. Bu makale, endüstriyel robotlar kullanılarak ince cam kompozit cephe panellerinin dijital üretimine yönelik keşifsel bir girişim sunmaktadır. Bilgisayar destekli tasarım (CAD), mühendislik (CAE) ve üretim (CAM) dahil olmak üzere fabrikadan fabrikaya iş akışlarının dijitalleştirilmesi kavramını açıklar. Çalışma, dijital analiz araçlarının kusursuz entegrasyonunu sağlayan parametrik bir tasarım sürecini göstermektedir.
Ayrıca bu süreç, ince cam kompozit panellerin dijital olarak üretilmesinin potansiyelini ve zorluklarını da ortaya koyuyor. Endüstriyel bir robot kolunun gerçekleştirdiği geniş formatlı katmanlı imalat, yüzey işleme, yapıştırma ve montaj işlemleri gibi üretim adımlarından bazıları burada açıklanmaktadır. Son olarak, ilk kez, deneysel ve sayısal çalışmalar ve kompozit panellerin yüzey yüklemesi altındaki mekanik özelliklerinin değerlendirilmesi yoluyla kompozit panellerin mekanik özelliklerine ilişkin derinlemesine bir anlayış elde edilmiştir. Dijital tasarım ve üretim iş akışının genel konsepti ve deneysel çalışmaların sonuçları, şekil tanımı ve analiz yöntemlerinin daha fazla entegrasyonunun yanı sıra gelecekteki çalışmalarda kapsamlı mekanik çalışmaların yürütülmesi için bir temel sağlar.
Dijital üretim yöntemleri, geleneksel yöntemleri dönüştürerek ve yeni tasarım olanakları sağlayarak üretimi geliştirmemize olanak tanır [1]. Geleneksel inşaat yöntemleri; maliyet, temel geometri ve güvenlik açısından malzemeleri aşırı kullanma eğilimindedir. İnşaatın fabrikalara taşınması, modüler prefabrikasyon ve robotik kullanılarak yeni tasarım yöntemlerinin uygulanmasıyla malzemeler güvenlikten ödün vermeden verimli bir şekilde kullanılabilir. Dijital üretim, daha çeşitli, verimli ve iddialı geometrik şekiller yaratmak için tasarım hayal gücümüzü genişletmemize olanak tanıyor. Tasarım ve hesaplama süreçleri büyük ölçüde dijitalleştirilmiş olsa da, imalat ve montaj hâlâ büyük ölçüde geleneksel yöntemlerle elle yapılıyor. Giderek daha karmaşık hale gelen serbest biçimli yapılarla başa çıkabilmek için dijital üretim süreçleri giderek daha önemli hale geliyor. Özellikle cepheler söz konusu olduğunda özgürlük ve tasarım esnekliği arzusu giderek artıyor. Serbest biçimli cepheler, görsel efektin yanı sıra, örneğin membran efektlerinin kullanımı yoluyla daha verimli yapılar oluşturmanıza da olanak tanır [2]. Ayrıca dijital üretim süreçlerinin büyük potansiyeli, verimliliklerinde ve tasarım optimizasyonu olasılığında yatmaktadır.
Bu makale, eklemeli olarak üretilmiş bir polimer çekirdek ve birleştirilmiş ince cam dış panellerden oluşan yenilikçi bir kompozit cephe paneli tasarlamak ve üretmek için dijital teknolojinin nasıl kullanılabileceğini araştırıyor. İnce cam kullanımıyla ilgili yeni mimari olanakların yanı sıra çevresel ve ekonomik kriterler de bina kabuğunun inşasında daha az malzeme kullanılmasına yönelik önemli motivasyonlar olmuştur. Gelecekte iklim değişikliği, kaynak kıtlığı ve artan enerji fiyatları nedeniyle camın daha akıllı kullanılması gerekiyor. Elektronik sektöründen alınan 2 mm'den daha ince ince camların kullanılması cepheyi hafifletir ve hammadde kullanımını azaltır.
İnce camın yüksek esnekliği nedeniyle mimari uygulamalar için yeni olanaklar açar ve aynı zamanda yeni mühendislik zorlukları ortaya çıkarır [3,4,5,6]. İnce cam kullanılan cephe projelerinin mevcut uygulaması sınırlı olmakla birlikte, inşaat mühendisliği ve mimari çalışmalarda ince cam giderek daha fazla kullanılmaktadır. İnce camın elastik deformasyona karşı yeteneğinin yüksek olması nedeniyle cephelerde kullanımı güçlendirilmiş yapısal çözümler gerektirir [7]. Kavisli geometri [8] nedeniyle membran etkisinden yararlanmanın yanı sıra, eylemsizlik momenti, bir polimer çekirdek ve yapıştırılmış ince bir cam dış tabakadan oluşan çok katmanlı bir yapı ile de arttırılabilir. Bu yaklaşım, camdan daha az yoğun olan sert, şeffaf bir polikarbonat çekirdeğin kullanılması nedeniyle umut verici olmuştur. Pozitif mekanik etkiye ek olarak ek güvenlik kriterleri de karşılanmıştır [9].
Aşağıdaki çalışmadaki yaklaşım aynı konsepte dayanmaktadır ancak eklemeli olarak üretilmiş açık gözenekli yarı saydam bir çekirdek kullanmaktadır. Bu, binanın fiziksel fonksiyonlarının entegrasyonunun yanı sıra, daha yüksek derecede geometrik özgürlük ve tasarım olanaklarını garanti eder [10]. Bu tür kompozit panellerin mekanik testlerde özellikle etkili olduğu kanıtlanmıştır [11] ve kullanılan cam miktarını %80'e kadar azaltma sözü vermektedir. Bu sadece gerekli kaynakları azaltmakla kalmayacak, aynı zamanda panellerin ağırlığını da önemli ölçüde azaltarak altyapının verimliliğini artıracaktır. Ancak yeni inşaat biçimleri, yeni üretim biçimleri gerektirir. Verimli yapılar verimli üretim süreçleri gerektirir. Dijital tasarım dijital üretime katkıda bulunur. Bu makale, endüstriyel robotlar için ince cam kompozit panellerin dijital üretim sürecine ilişkin bir çalışmayı sunarak yazarın önceki araştırmasına devam ediyor. Üretim sürecinin otomasyonunu artırmak için ilk geniş formatlı prototiplerin dosyadan fabrikaya iş akışının dijitalleştirilmesine odaklanılıyor.
Kompozit panel (Şekil 1), bir AM polimer çekirdeğin etrafına sarılmış iki ince cam kaplamadan oluşur. İki parça tutkalla birbirine bağlanır. Bu tasarımın amacı yükü tüm bölüme mümkün olduğunca verimli bir şekilde dağıtmaktır. Eğilme momentleri kabukta normal gerilimler yaratır. Yanal kuvvetler çekirdekte ve yapışkan bağlantılarda kayma gerilmelerine neden olur.
Sandviç yapının dış katmanı ince camdan yapılmıştır. Prensip olarak soda-kireç silikat camı kullanılacaktır. Hedef kalınlık < 2 mm ile termal temperleme işlemi mevcut teknolojik sınıra ulaşır. Tasarım (örneğin, soğuk katlanmış paneller) veya kullanım nedeniyle daha yüksek mukavemet gerekiyorsa, kimyasal olarak güçlendirilmiş alüminosilikat camın özellikle uygun olduğu düşünülebilir [12]. Işık geçirgenliği ve çevre koruma işlevleri, iyi çizilme direnci ve kompozitlerde kullanılan diğer malzemelerle karşılaştırıldığında nispeten yüksek Young modülü gibi iyi mekanik özelliklerle tamamlanacaktır. Kimyasal olarak sertleştirilmiş ince camın sınırlı boyutu nedeniyle, ilk büyük ölçekli prototipi oluşturmak için tamamen temperlenmiş 3 mm kalınlığında soda-kireç camından paneller kullanıldı.
Destekleyici yapı, kompozit panelin şekillendirilmiş bir parçası olarak kabul edilir. Hemen hemen tüm özellikler bundan etkilenir. Eklemeli üretim yöntemi sayesinde dijital üretim sürecinin de merkezi konumundadır. Termoplastikler eritilerek işlenir. Bu, belirli uygulamalar için çok sayıda farklı polimerin kullanılmasını mümkün kılar. Ana elemanların topolojisi, işlevlerine bağlı olarak farklı vurgularla tasarlanabilmektedir. Bu amaçla şekil tasarımı şu dört tasarım kategorisine ayrılabilir: yapısal tasarım, işlevsel tasarım, estetik tasarım ve üretim tasarımı. Her kategorinin farklı amaçları olabilir ve bu da farklı topolojilere yol açabilir.
Ön çalışma sırasında bazı ana tasarımların tasarımlarının uygunluğu test edildi [11]. Mekanik açıdan bakıldığında, jiroskopun üç periyotlu minimum çekirdek yüzeyi özellikle etkilidir. Bu, nispeten düşük malzeme tüketimiyle bükülmeye karşı yüksek mekanik direnç sağlar. Yüzey bölgelerinde üretilen hücresel temel yapıların yanı sıra topoloji, diğer şekil bulma teknikleriyle de oluşturulabilir. Gerilme çizgisinin oluşturulması, mümkün olan en düşük ağırlıkta sertliği optimize etmenin olası yollarından biridir [13]. Ancak sandviç yapılarda yaygın olarak kullanılan petek yapısı, üretim hattının geliştirilmesinde bir başlangıç ​​noktası olarak kullanılmıştır. Bu temel form, özellikle kolay takım yolu programlaması yoluyla üretimde hızlı ilerlemeye yol açar. Kompozit panellerdeki davranışı kapsamlı bir şekilde incelenmiştir [14, 15, 16] ve görünüm, parametrelendirme yoluyla birçok şekilde değiştirilebilir ve aynı zamanda ilk optimizasyon konseptleri için de kullanılabilir.
Kullanılan ekstrüzyon işlemine bağlı olarak bir polimer seçerken dikkate alınması gereken birçok termoplastik polimer vardır. Küçük ölçekli malzemelerle ilgili ilk ön çalışmalar, cephelerde kullanıma uygun olduğu düşünülen polimerlerin sayısını azaltmıştır [11]. Polikarbonat (PC), ısı direnci, UV direnci ve yüksek sertliği nedeniyle umut vericidir. Polikarbonatın işlenmesi için gereken ek teknik ve finansal yatırım nedeniyle, ilk prototiplerin üretilmesinde etilen glikol ile modifiye edilmiş polietilen tereftalat (PETG) kullanıldı. Nispeten düşük sıcaklıklarda, düşük termal stres ve bileşen deformasyonu riskiyle işlenmesi özellikle kolaydır. Burada gösterilen prototip, PIPG adı verilen geri dönüştürülmüş PETG'den yapılmıştır. Malzeme ön olarak en az 4 saat boyunca 60°C'de kurutuldu ve %20 cam elyaf içeriğine sahip granüller halinde işlendi [17].
Yapışkan, polimer çekirdek yapısı ile ince cam kapak arasında güçlü bir bağ sağlar. Kompozit paneller bükülme yüklerine maruz kaldığında, yapışkan bağlantılar kesme gerilimine maruz kalır. Bu nedenle daha sert bir yapıştırıcı tercih edilir ve sapmayı azaltabilir. Şeffaf yapıştırıcılar ayrıca şeffaf cama yapıştırıldığında yüksek görsel kalite sağlanmasına yardımcı olur. Yapıştırıcı seçerken bir diğer önemli faktör üretilebilirlik ve otomatik üretim süreçlerine entegrasyondur. Burada esnek kürleme sürelerine sahip UV kürlemeli yapıştırıcılar kaplama katmanlarının konumlandırılmasını büyük ölçüde kolaylaştırabilir. Ön testlere dayanarak, bir dizi yapıştırıcının ince cam kompozit panellere uygunluğu test edildi [18]. Loctite® AA 3345™ UV ile kürlenebilen akrilatın [19] aşağıdaki proses için özellikle uygun olduğu kanıtlanmıştır.
Eklemeli üretim olanaklarından ve ince camın esnekliğinden yararlanmak için tüm süreç dijital ve parametrik olarak çalışacak şekilde tasarlandı. Grasshopper, farklı programlar arasındaki arayüzlerden kaçınarak görsel bir programlama arayüzü olarak kullanılır. Tüm disiplinler (mühendislik, mühendislik ve üretim), operatörün doğrudan geri bildirimiyle tek bir dosyada birbirini destekleyecek ve tamamlayacaktır. Çalışmanın bu aşamasında iş akışı halen geliştirilme aşamasındadır ve Şekil 2'de gösterilen modeli takip etmektedir. Farklı hedefler disiplinler içindeki kategoriler halinde gruplandırılabilir.
Bu yazıda sandviç panellerin üretimi kullanıcı merkezli tasarım ve imalat hazırlığı ile otomatikleştirilmiş olmasına rağmen, bireysel mühendislik araçlarının entegrasyonu ve doğrulanması tam olarak gerçekleştirilmemiştir. Cephe geometrisinin parametrik tasarımına dayanarak binanın dış kabuğunu makro düzeyde (cephe) ve meso (cephe panelleri) düzeyde tasarlamak mümkündür. İkinci adımda, mühendislik geri bildirim döngüsü, giydirme cephe imalatının uygulanabilirliğinin yanı sıra güvenlik ve uygunluğun değerlendirilmesini amaçlamaktadır. Son olarak ortaya çıkan paneller dijital üretime hazır hale gelir. Program, geliştirilen çekirdek yapıyı makine tarafından okunabilen G kodunda işler ve onu katmanlı üretim, çıkarımlı son işlemler ve cam yapıştırma için hazırlar.
Tasarım süreci iki farklı düzeyde ele alınır. Cephelerin makro şeklinin her bir kompozit panelin geometrisini etkilemesinin yanı sıra çekirdeğin topolojisi de mezo düzeyde tasarlanabilmektedir. Parametrik bir cephe modeli kullanıldığında şekil ve görünüm, Şekil 3'te gösterilen kaydırıcılar kullanılarak örnek cephe kesitlerinden etkilenebilir. Böylece toplam yüzey, nokta çekiciler kullanılarak deforme edilebilen ve kullanıcı tarafından değiştirilebilen, kullanıcı tanımlı ölçeklenebilir bir yüzeyden oluşur. minimum ve maksimum deformasyon derecesini belirtir. Bu, bina kabuklarının tasarımında yüksek derecede esneklik sağlar. Ancak bu özgürlük derecesi teknik ve üretim kısıtlamalarıyla sınırlıdır ve bunlar daha sonra mühendislik kısmındaki algoritmalar tarafından desteklenir.
Tüm cephenin yüksekliği ve genişliğinin yanı sıra cephe panellerinin bölümleri de belirlenir. Bireysel cephe panelleri ise orta seviyede daha kesin bir şekilde tanımlanabilir. Bu, camın kalınlığının yanı sıra çekirdek yapının topolojisini de etkiler. Bu iki değişkenin yanı sıra panel boyutunun da makine mühendisliği modellemesi ile önemli bir ilişkisi vardır. Tüm makro ve mezo düzeyde tasarım ve geliştirme, yapı, fonksiyon, estetik ve ürün tasarımı olmak üzere dört kategoride optimizasyon açısından gerçekleştirilebilir. Kullanıcılar bu alanlara öncelik vererek bina kabuğunun genel görünümünü ve hissini geliştirebilirler.
Proje, bir geri bildirim döngüsü kullanılarak mühendislik bölümü tarafından desteklenmektedir. Bu amaçla, Şekil 2'de gösterilen optimizasyon kategorisinde hedefler ve sınır koşulları tanımlanmıştır. Bunlar, teknik açıdan mümkün, fiziksel olarak sağlam ve mühendislik açısından inşa edilmesi güvenli koridorlar sağlar ve bu da tasarım üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Bu doğrudan Grasshopper'a entegre edilebilecek çeşitli araçlar için başlangıç ​​noktasıdır. Daha ileri araştırmalarda, mekanik özellikler Sonlu Elemanlar Analizi (FEM) ve hatta analitik hesaplamalar kullanılarak değerlendirilebilir.
Ayrıca güneş radyasyonu çalışmaları, görüş hattı analizi ve güneş ışığı süresi modellemesi ile kompozit panellerin bina fiziği üzerindeki etkisi değerlendirilebilir. Tasarım sürecinin hızını, verimliliğini ve esnekliğini aşırı derecede sınırlamamak önemlidir. Bu nedenle burada elde edilen sonuçlar, tasarım sürecine ek rehberlik ve destek sağlamak üzere tasarlanmıştır ve tasarım sürecinin sonundaki ayrıntılı analiz ve gerekçelendirmenin yerini almaz. Bu stratejik plan, kanıtlanmış sonuçlar için daha fazla kategorik araştırmanın temelini oluşturur. Örneğin, kompozit panellerin çeşitli yük ve destek koşulları altındaki mekanik davranışı hakkında henüz çok az şey bilinmektedir.
Tasarım ve mühendislik tamamlandıktan sonra model dijital üretime hazır hale geliyor. Üretim süreci dört alt aşamaya ayrılmıştır (Şekil 4). İlk olarak ana yapı, büyük ölçekli bir robotik 3D baskı tesisi kullanılarak eklemeli olarak üretildi. Daha sonra yüzey, iyi bir yapıştırma için gereken yüzey kalitesini iyileştirmek amacıyla aynı robotik sistem kullanılarak frezelenir. Frezeleme sonrasında yapıştırıcı, baskı ve frezeleme işlemi için kullanılan aynı robotik sisteme monte edilmiş, özel olarak tasarlanmış bir dozaj sistemi kullanılarak çekirdek yapı boyunca uygulanır. Son olarak, yapıştırılan bağlantının UV ile kürlenmesinden önce cam yerleştirilir ve döşenir.
Eklemeli üretim için, temel yapının tanımlanmış topolojisinin CNC makine diline (GCode) çevrilmesi gerekir. Eşit ve yüksek kaliteli sonuçlar için amaç, her katmanı ekstruder nozulu düşmeden basmaktır. Bu, hareketin başında ve sonunda istenmeyen aşırı basıncı önler. Bu nedenle, kullanılan hücre modeli için sürekli bir yörünge oluşturma komut dosyası yazılmıştır. Bu, tasarıma göre seçilen panel boyutuna, peteklerin sayısına ve boyutuna uyum sağlayan, aynı başlangıç ​​ve bitiş noktalarına sahip parametrik sürekli bir sürekli çizgi yaratacaktır. Ayrıca ana yapının istenilen yüksekliğe ulaşması için çizgilerin döşenmesinden önce çizgi genişliği, çizgi yüksekliği gibi parametreler belirlenebilmektedir. Komut dosyasındaki bir sonraki adım G kodu komutlarını yazmaktır.
Bu, konumlandırma ve ekstrüzyon hacim kontrolü için diğer ilgili eksenler gibi ek makine bilgileriyle birlikte hat üzerindeki her noktanın koordinatlarının kaydedilmesiyle yapılır. Ortaya çıkan G kodu daha sonra üretim makinelerine aktarılabilir. Bu örnekte, bir CEAD E25 ekstrüderi G koduna göre kontrol etmek için doğrusal bir ray üzerinde bir Comau NJ165 endüstriyel robot kolu kullanılmıştır (Şekil 5). İlk prototipte %20 cam elyaf içeriğine sahip sanayi sonrası PETG kullanıldı. Mekanik test açısından hedef boyut inşaat sektörünün büyüklüğüne yakın olduğundan ana elemanın boyutları 6×4 petek hücreli 1983×876 mm'dir. 6 mm ve 2 mm yüksekliğinde.
Ön testler, yüzey özelliklerine bağlı olarak yapıştırıcı ile 3D baskı reçinesi arasında yapışma mukavemetinde bir fark olduğunu göstermiştir. Bunu yapmak için, eklemeli imalat test numuneleri cama yapıştırılır veya lamine edilir ve çekme veya kesmeye tabi tutulur. Polimer yüzeyinin frezeleme yoluyla ön mekanik işlenmesi sırasında mukavemet önemli ölçüde arttı (Şekil 6). Ayrıca çekirdeğin düzlüğünü artırır ve aşırı ekstrüzyonun neden olduğu kusurları önler. Burada kullanılan UV ile kürlenebilen LOCTITE® AA 3345™ [19] akrilat işleme koşullarına duyarlıdır.
Bu genellikle bağ testi örnekleri için daha yüksek bir standart sapma ile sonuçlanır. Eklemeli imalattan sonra çekirdek yapı bir profil freze makinesinde frezelendi. Bu işlem için gereken G kodu, 3D yazdırma işlemi için önceden oluşturulmuş takım yollarından otomatik olarak oluşturulur. Çekirdek yapısının amaçlanan çekirdek yüksekliğinden biraz daha yükseğe basılması gerekir. Bu örnekte 18 mm kalınlığındaki çekirdek yapı 14 mm'ye düşürülmüştür.
Üretim sürecinin bu kısmı, tam otomasyon için büyük bir zorluktur. Yapıştırıcıların kullanımı, makinelerin doğruluğu ve hassasiyeti konusunda yüksek talepler doğurur. Yapıştırıcının çekirdek yapısı boyunca uygulanması için pnömatik dozaj sistemi kullanılır. Tanımlanan takım yoluna uygun olarak robot tarafından frezeleme yüzeyi boyunca yönlendirilir. Geleneksel dağıtım ucunun bir fırçayla değiştirilmesinin özellikle avantajlı olduğu ortaya çıktı. Bu, düşük viskoziteli yapıştırıcıların hacimce eşit şekilde dağıtılmasına olanak tanır. Bu miktar sistemdeki basınca ve robotun hızına göre belirlenir. Daha fazla hassasiyet ve yüksek yapıştırma kalitesi için 200 ila 800 mm/dak'lık düşük ilerleme hızları tercih edilir.
Ortalama 1500 mPa*s viskoziteye sahip akrilat, 0,3 ila 0,6 mbar uygulanan basınçta, iç çapı 0,84 mm ve fırça genişliği 5 olan bir dozaj fırçası kullanılarak polimer çekirdeğin 6 mm genişliğindeki duvarına uygulandı. mm. Daha sonra yapıştırıcı alt tabakanın yüzeyine yayılır ve yüzey gerilimi nedeniyle 1 mm kalınlığında bir tabaka oluşturur. Yapışkan kalınlığının kesin tespiti henüz otomatikleştirilemez. Yapıştırıcı seçiminde işlemin süresi önemli bir kriterdir. Burada üretilen çekirdek yapı 26 m'lik bir ray uzunluğuna ve dolayısıyla 30 ila 60 dakikalık bir uygulama süresine sahiptir.
Yapıştırıcıyı uyguladıktan sonra çift camlı pencereyi yerine takın. Malzemenin düşük kalınlığı nedeniyle ince cam zaten kendi ağırlığı nedeniyle çok fazla deforme olur ve bu nedenle mümkün olduğu kadar eşit bir şekilde konumlandırılmalıdır. Bunun için zamana dağılmış vantuzlu pnömatik cam vantuz kullanılır. Bir vinç kullanılarak bileşenin üzerine yerleştirilir ve gelecekte doğrudan robotlar kullanılarak da yerleştirilebilir. Cam plaka, yapışkan tabakanın üzerindeki çekirdeğin yüzeyine paralel olarak yerleştirildi. Daha hafif olması nedeniyle ilave bir cam plaka (4 ila 6 mm kalınlığında) üzerindeki baskıyı artırır.
Sonuç, görünür renk farklılıklarının ilk görsel incelemesinden anlaşılabileceği gibi, çekirdek yapı boyunca cam yüzeyinin tamamen ıslanması olmalıdır. Uygulama süreci aynı zamanda nihai yapıştırılan bağlantının kalitesi üzerinde de önemli bir etkiye sahip olabilir. Yapıştırıldıktan sonra cam paneller hareket ettirilmemelidir; aksi takdirde cam üzerinde gözle görülür yapışkan kalıntısı oluşur ve gerçek yapışkan katmanda kusurlar ortaya çıkar. Son olarak yapıştırıcı 365 nm dalga boyunda UV radyasyonu ile sertleştirilir. Bunun için güç yoğunluğu 6 mW/cm2 olan bir UV lambası 60 saniye boyunca kademeli olarak tüm yapışkan yüzey üzerinden geçirilir.
Burada tartışılan, katkı maddesiyle üretilmiş polimer çekirdekli hafif ve özelleştirilebilir ince cam kompozit paneller kavramının gelecekteki cephelerde kullanılması amaçlanmaktadır. Bu nedenle, kompozit panellerin geçerli standartlara uygun olması ve hizmet sınır durumları (SLS), nihai dayanım sınır durumları (ULS) ve güvenlik gerekliliklerine ilişkin gereklilikleri karşılaması gerekir. Bu nedenle kompozit panellerin güvenli, güçlü ve kırılmadan veya aşırı deformasyon olmadan yüklere (yüzey yükleri gibi) dayanabilecek kadar sağlam olması gerekir. Daha önce üretilmiş ince cam kompozit panellerin mekanik tepkisini araştırmak için (Mekanik Test bölümünde açıklandığı gibi), bir sonraki alt bölümde açıklandığı gibi rüzgar yükü testlerine tabi tutuldular.
Fiziksel testlerin amacı, dış duvarların kompozit panellerinin rüzgar yükleri altındaki mekanik özelliklerini incelemektir. Bu amaçla, 3 mm kalınlığında tam temperli cam dış tabaka ve 14 mm kalınlığında eklemeli olarak üretilmiş çekirdekten (PIPG-GF20'den) oluşan kompozit paneller, Henkel Loctite AA 3345 yapıştırıcı kullanılarak yukarıda açıklandığı gibi üretildi (Şekil 7 sol). )). . Kompozit paneller daha sonra ahşap çerçevenin içinden ana yapının yanlarına çakılan metal vidalarla ahşap destek çerçevesine bağlanır. Çevre etrafındaki doğrusal destek koşullarını olabildiğince yakın bir şekilde yeniden oluşturmak için panelin çevresine 30 vida yerleştirildi (Şekil 7'de soldaki siyah çizgiye bakın).
Test çerçevesi daha sonra kompozit panelin arkasına rüzgar basıncı veya rüzgar emişi uygulanarak dış test duvarına kapatıldı (Şekil 7, sağ üst). Verileri kaydetmek için bir dijital korelasyon sistemi (DIC) kullanılır. Bunu yapmak için, kompozit panelin dış camı, üzerine sedefli bir ses deseni basılmış ince elastik bir tabaka ile kaplanır (Şekil 7, sağ alt). DIC, tüm cam yüzeyi üzerindeki tüm ölçüm noktalarının göreceli konumunu kaydetmek için iki kamera kullanır. Saniyede iki görüntü kaydedildi ve değerlendirme için kullanıldı. Kompozit panellerle çevrelenen haznedeki basınç, fan yardımıyla 1000 Pa'lık artışlarla maksimum 4000 Pa'ya kadar artırılarak her yük seviyesinin 10 saniye boyunca korunması sağlanır.
Deneyin fiziksel kurulumu da aynı geometrik boyutlara sahip sayısal bir modelle temsil edilmektedir. Bunun için Ansys Mechanical sayısal programı kullanılır. Çekirdek yapı, cam için 20 mm kenarlı SOLID 185 altıgen elemanlar ve 3 mm kenarlı SOLID 187 tetrahedral elemanlar kullanan geometrik ağdan oluşuyordu. Modellemeyi basitleştirmek için çalışmanın bu aşamasında burada kullanılan akrilatın ideal olarak sert ve ince olduğu ve cam ile çekirdek malzeme arasında sert bir bağ olarak tanımlandığı varsayılmaktadır.
Kompozit paneller çekirdeğin dışına düz bir çizgi halinde sabitlenir ve cam panel 4000 Pa yüzey basınç yüküne maruz bırakılır. Modellemede geometrik doğrusal olmayan durumlar dikkate alınsa da tasarımın bu aşamasında yalnızca doğrusal malzeme modelleri kullanıldı. çalışmak. Bu, camın doğrusal elastik tepkisi için geçerli bir varsayım olmasına rağmen (E = 70.000 MPa), (viskoelastik) polimerik çekirdek malzemesi üreticisinin veri sayfasına göre [17], doğrusal sertlik E = 8245 MPa kullanılmıştır. Mevcut analiz titizlikle dikkate alınmalı ve gelecekteki araştırmalarda incelenecektir.
Burada sunulan sonuçlar esas olarak 4000 Pa'ya (=ˆ4kN/m2) kadar maksimum rüzgar yüklerindeki deformasyonlar için değerlendirilir. Bunun için DIC yöntemiyle kaydedilen görüntüler sayısal simülasyon (FEM) sonuçlarıyla karşılaştırıldı (Şekil 8, sağ alt). FEM'de kenar bölgesinde (yani panel çevresi) "ideal" doğrusal desteklerle 0 mm'lik ideal bir toplam gerinim hesaplanırken, DIC değerlendirilirken kenar bölgesinin fiziksel yer değiştirmesi dikkate alınmalıdır. Bunun nedeni montaj toleransları ve test çerçevesi ile contalarının deformasyonudur. Karşılaştırma amacıyla, kenar bölgesindeki ortalama yer değiştirme (Şekil 8'deki kesikli beyaz çizgi), panelin merkezindeki maksimum yer değiştirmeden çıkarıldı. DIC ve FEA tarafından belirlenen yer değiştirmeler Tablo 1'de karşılaştırılmakta ve Şekil 8'in sol üst köşesinde grafiksel olarak gösterilmektedir.
Deneysel modelin uygulanan dört yük seviyesi, değerlendirme için kontrol noktaları olarak kullanıldı ve FEM'de değerlendirildi. Yüksüz durumda kompozit plakanın maksimum merkezi yer değiştirmesi, 2,18 mm'de 4000 Pa yük seviyesinde DIC ölçümleriyle belirlendi. Daha düşük yüklerdeki (2000 Pa'ya kadar) FEA yer değiştirmeleri hala deneysel değerleri doğru bir şekilde üretebilirken, daha yüksek yüklerdeki gerinimdeki doğrusal olmayan artış doğru bir şekilde hesaplanamaz.
Ancak yapılan çalışmalar kompozit panellerin aşırı rüzgar yüklerine dayanabildiğini göstermiştir. Hafif panellerin yüksek sertliği özellikle öne çıkıyor. Kirchhoff plakalarının [20] doğrusal teorisine dayalı analitik hesaplamalar kullanıldığında, 4000 Pa'da 2,18 mm'lik bir deformasyon, aynı sınır koşulları altında 12 mm kalınlığında tek bir cam plakanın deformasyonuna karşılık gelir. Sonuç olarak, bu kompozit paneldeki camın kalınlığı (üretimde enerji yoğun olan) 2 x 3mm cama kadar azaltılarak %50 oranında malzeme tasarrufu sağlanabilmektedir. Panelin toplam ağırlığının azaltılması montaj açısından ek faydalar sağlar. 30 kg'lık bir kompozit panel iki kişi tarafından rahatlıkla taşınabilirken, 50 kg'lık geleneksel bir cam panelin güvenli bir şekilde taşınması için teknik desteğe ihtiyaç vardır. Mekanik davranışı doğru bir şekilde temsil etmek için gelecekteki çalışmalarda daha ayrıntılı sayısal modellere ihtiyaç duyulacaktır. Sonlu eleman analizi, polimerler ve yapışkan bağ modellemesi için daha kapsamlı doğrusal olmayan malzeme modelleri ile daha da geliştirilebilir.
Dijital süreçlerin geliştirilmesi ve iyileştirilmesi, inşaat sektöründe ekonomik ve çevresel performansın iyileştirilmesinde önemli bir rol oynamaktadır. Ayrıca cephelerde ince cam kullanımı enerji ve kaynak tasarrufu vaat ediyor ve mimariye yeni olanaklar açıyor. Ancak camın kalınlığının küçük olması nedeniyle camın yeterince güçlendirilmesi için yeni tasarım çözümlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu nedenle, bu makalede sunulan çalışma, ince camdan ve birleştirilmiş takviyeli 3D baskılı polimer çekirdek yapılarından yapılmış kompozit paneller kavramını araştırıyor. Tasarımdan üretime kadar tüm üretim süreci dijitalleştirildi ve otomatikleştirildi. Grasshopper'ın yardımıyla, gelecekteki cephelerde ince cam kompozit panellerin kullanımını mümkün kılmak için dosyadan fabrikaya bir iş akışı geliştirildi.
İlk prototipin üretimi, robotik üretimin fizibilitesini ve zorluklarını ortaya koydu. Eklemeli ve çıkarımlı üretim zaten iyi bir şekilde entegre edilmiş olsa da, özellikle tam otomatik yapıştırıcı uygulaması ve montajı gelecekteki araştırmalarda ele alınması gereken ek zorluklar sunmaktadır. Ön mekanik testler ve ilgili sonlu eleman araştırma modellemesi yoluyla, hafif ve ince fiberglas panellerin, aşırı rüzgar yükü koşullarında bile amaçlanan cephe uygulamaları için yeterli bükülme sertliği sağladığı gösterilmiştir. Yazarların devam eden araştırmaları, cephe uygulamaları için dijital olarak üretilmiş ince cam kompozit panellerin potansiyelini daha da araştıracak ve bunların etkinliğini gösterecektir.
Yazarlar bu araştırma çalışmasıyla ilgili tüm destekçilere teşekkür eder. Ekstruder ve freze cihazı içeren bir manipülatörün satın alınması için finansal kaynak sağlamak üzere Avrupa Birliği fonlarından hibe şeklinde finanse edilen EFRE SAB finansman programı sayesinde. 100537005. Ayrıca AiF-ZIM, bu araştırma çalışmasına önemli destek sağlayan Glaswerkstätten Glas Ahne ile işbirliği içinde Glasfur3D araştırma projesini (hibe numarası ZF4123725WZ9) finanse ettiği için tanındı. Son olarak, Friedrich Siemens Laboratuvarı ve işbirlikçileri, özellikle de Felix Hegewald ve öğrenci asistanı Jonathan Holzerr, bu makalenin temelini oluşturan üretim ve fiziksel testlerin teknik desteği ve uygulanmasından dolayı teşekkür ederler.