نمونه های اولیه پانل های نمای کامپوزیت شیشه ای نازک ساخته شده دیجیتالی

استفاده از شیشه نازک نوید انجام وظایف مختلف در صنعت ساختمان را می دهد. علاوه بر مزایای زیست محیطی استفاده کارآمدتر از منابع، معماران می توانند از شیشه های نازک برای دستیابی به درجات جدیدی از آزادی طراحی استفاده کنند. بر اساس تئوری ساندویچ، شیشه نازک انعطاف پذیر را می توان با یک هسته پلیمری سلول باز چاپ سه بعدی ترکیب کرد تا بسیار سفت و سبک وزن شود. عناصر مرکب این مقاله تلاشی اکتشافی در ساخت دیجیتال پانل‌های نمای شیشه‌ای کامپوزیت نازک با استفاده از روبات‌های صنعتی ارائه می‌کند. این مفهوم دیجیتالی کردن جریان های کاری کارخانه به کارخانه، از جمله طراحی به کمک کامپیوتر (CAD)، مهندسی (CAE) و ساخت (CAM) را توضیح می دهد. این مطالعه یک فرآیند طراحی پارامتریک را نشان می‌دهد که یکپارچه‌سازی یکپارچه ابزارهای تحلیل دیجیتال را امکان‌پذیر می‌سازد.
علاوه بر این، این فرآیند پتانسیل و چالش های تولید دیجیتالی پانل های کامپوزیت شیشه ای نازک را نشان می دهد. برخی از مراحل ساخت که توسط یک بازوی ربات صنعتی انجام می شود، مانند ساخت مواد افزودنی با فرمت بزرگ، ماشینکاری سطح، فرآیندهای چسباندن و مونتاژ، در اینجا توضیح داده شده است. در نهایت برای اولین بار با مطالعات تجربی و عددی و ارزیابی خواص مکانیکی پانل های کامپوزیت تحت بارگذاری سطحی، درک عمیقی از خواص مکانیکی پانل های کامپوزیت به دست آمده است. مفهوم کلی جریان کار طراحی و ساخت دیجیتال و همچنین نتایج مطالعات تجربی، مبنایی را برای ادغام بیشتر روش‌های تعریف و تحلیل شکل و همچنین برای انجام مطالعات مکانیکی گسترده در مطالعات آینده فراهم می‌کند.
روش‌های تولید دیجیتال به ما این امکان را می‌دهد که با تغییر روش‌های سنتی و ارائه امکانات طراحی جدید، تولید را بهبود بخشیم [1]. روش‌های سنتی ساختمان‌سازی تمایل به استفاده بیش از حد از مصالح از نظر هزینه، هندسه اولیه و ایمنی دارند. با انتقال ساخت و ساز به کارخانه ها، استفاده از پیش ساخته های مدولار و رباتیک برای اجرای روش های جدید طراحی، می توان مواد را بدون به خطر انداختن ایمنی به طور کارآمد استفاده کرد. تولید دیجیتال به ما امکان می دهد تخیل طراحی خود را برای ایجاد اشکال هندسی متنوع تر، کارآمدتر و جاه طلبانه تر گسترش دهیم. در حالی که فرآیندهای طراحی و محاسبات تا حد زیادی دیجیتالی شده است، ساخت و مونتاژ هنوز هم عمدتاً با دست و به روش های سنتی انجام می شود. برای رویارویی با ساختارهای آزاد و پیچیده به طور فزاینده، فرآیندهای تولید دیجیتال اهمیت فزاینده ای پیدا می کنند. میل به آزادی و انعطاف‌پذیری طراحی، به‌ویژه وقتی صحبت از نما می‌شود، به‌طور پیوسته در حال رشد است. علاوه بر جلوه بصری، نماهای آزاد نیز به شما امکان می دهد تا ساختارهای کارآمدتری ایجاد کنید، به عنوان مثال، از طریق استفاده از جلوه های غشایی [2]. علاوه بر این، پتانسیل بزرگ فرآیندهای تولید دیجیتال در کارایی آنها و امکان بهینه سازی طراحی نهفته است.
این مقاله به بررسی این موضوع می‌پردازد که چگونه می‌توان از فناوری دیجیتال برای طراحی و ساخت یک پانل نمای کامپوزیت خلاقانه متشکل از یک هسته پلیمری ساخته‌شده و پانل‌های بیرونی شیشه‌ای نازک متصل شده استفاده کرد. علاوه بر امکانات جدید معماری مرتبط با استفاده از شیشه های نازک، معیارهای محیطی و اقتصادی نیز انگیزه های مهمی برای استفاده کمتر از مصالح برای ساخت پوشش ساختمان بوده است. با تغییرات آب و هوایی، کمبود منابع و افزایش قیمت انرژی در آینده، شیشه باید هوشمندانه تر استفاده شود. استفاده از شیشه های نازک با ضخامت کمتر از 2 میلی متر از صنایع الکترونیک باعث سبکی نما و کاهش استفاده از مواد اولیه می شود.
به دلیل انعطاف پذیری بالای شیشه نازک، امکانات جدیدی را برای کاربردهای معماری باز می کند و در عین حال چالش های مهندسی جدیدی را ایجاد می کند [3،4،5،6]. در حالی که اجرای فعلی پروژه های نما با استفاده از شیشه نازک محدود است، شیشه نازک به طور فزاینده ای در مطالعات مهندسی عمران و معماری استفاده می شود. به دلیل توانایی بالای شیشه نازک در تغییر شکل الاستیک، استفاده از آن در نماها نیازمند راه حل های سازه ای تقویت شده است [7]. علاوه بر بهره‌برداری از اثر غشایی به دلیل هندسه منحنی [8]، ممان اینرسی را می‌توان با یک ساختار چندلایه متشکل از یک هسته پلیمری و یک ورقه بیرونی شیشه‌ای نازک چسبانده افزایش داد. این رویکرد به دلیل استفاده از یک هسته پلی کربنات شفاف شفاف، که چگالی کمتری نسبت به شیشه دارد، امیدوار کننده است. علاوه بر عملکرد مکانیکی مثبت، معیارهای ایمنی اضافی نیز رعایت شد [9].
رویکرد در مطالعه زیر بر اساس همین مفهوم است، اما با استفاده از یک هسته نیمه شفاف با منافذ باز ساخته شده به صورت افزودنی. این امر درجه بالاتری از آزادی هندسی و امکانات طراحی و همچنین ادغام عملکردهای فیزیکی ساختمان را تضمین می کند [10]. چنین پانل های کامپوزیتی به ویژه در آزمایش های مکانیکی مؤثر بوده اند [11] و وعده کاهش میزان شیشه مصرفی را تا 80 درصد می دهند. این نه تنها منابع مورد نیاز را کاهش می دهد، بلکه وزن پانل ها را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد و در نتیجه کارایی زیرسازی را افزایش می دهد. اما اشکال جدید ساخت و ساز مستلزم اشکال جدید تولید است. ساختارهای کارآمد نیاز به فرآیندهای تولید کارآمد دارند. طراحی دیجیتال به تولید دیجیتال کمک می کند. این مقاله با ارائه مطالعه ای در مورد فرآیند ساخت دیجیتال پانل های کامپوزیت شیشه ای نازک برای ربات های صنعتی، تحقیقات قبلی نویسنده را ادامه می دهد. تمرکز بر دیجیتالی کردن جریان کار فایل به کارخانه اولین نمونه های اولیه با فرمت بزرگ برای افزایش اتوماسیون فرآیند تولید است.
پانل کامپوزیت (شکل 1) از دو روکش شیشه ای نازک تشکیل شده است که دور یک هسته پلیمری AM پیچیده شده است. دو قسمت با چسب به هم وصل می شوند. هدف از این طراحی توزیع بار در کل بخش به بهترین نحو ممکن است. لنگرهای خمشی تنش های معمولی را در پوسته ایجاد می کنند. نیروهای جانبی باعث ایجاد تنش های برشی در هسته و اتصالات چسب می شوند.
لایه بیرونی سازه ساندویچی از شیشه نازک ساخته شده است. در اصل از شیشه سیلیکات سودا آهک استفاده خواهد شد. با ضخامت هدف کمتر از 2 میلی متر، فرآیند تلطیف حرارتی به حد فن آوری فعلی می رسد. شیشه آلومینوسیلیکات تقویت شده شیمیایی ممکن است به ویژه در صورت نیاز به استحکام بالاتر به دلیل طراحی (به عنوان مثال پانل های تا شده سرد) یا استفاده مناسب در نظر گرفته شود [12]. عملکردهای انتقال نور و حفاظت از محیط زیست با خواص مکانیکی خوب مانند مقاومت در برابر خراش خوب و مدول یانگ نسبتاً بالا در مقایسه با سایر مواد مورد استفاده در کامپوزیت ها تکمیل می شود. با توجه به اندازه محدود موجود برای شیشه‌های نازک سخت شده شیمیایی، پانل‌هایی از شیشه‌های سودا آهکی با ضخامت 3 میلی‌متر برای ساخت اولین نمونه اولیه در مقیاس بزرگ استفاده شد.
سازه نگهدارنده به عنوان بخش شکلی از پانل کامپوزیت در نظر گرفته می شود. تقریباً تمام صفات تحت تأثیر آن قرار می گیرند. به لطف روش ساخت افزودنی، مرکز فرآیند تولید دیجیتال نیز می باشد. ترموپلاستیک ها با ذوب شدن پردازش می شوند. این امکان استفاده از تعداد زیادی از پلیمرهای مختلف را برای کاربردهای خاص فراهم می کند. توپولوژی عناصر اصلی را می توان با تاکیدات متفاوتی بسته به عملکرد آنها طراحی کرد. برای این منظور طراحی شکل را می توان به چهار دسته طراحی زیر تقسیم کرد: طراحی سازه، طراحی کاربردی، طراحی زیبایی شناختی و طراحی تولید. هر دسته می تواند اهداف متفاوتی داشته باشد که می تواند به توپولوژی های متفاوتی منجر شود.
در طول مطالعه اولیه، برخی از طرح‌های اصلی از نظر مناسب بودن طرح مورد آزمایش قرار گرفتند [11]. از نقطه نظر مکانیکی، حداقل سطح هسته سه دوره ای ژیروسکوپ بسیار موثر است. این مقاومت مکانیکی بالایی در برابر خمش در مصرف نسبتاً کم مواد ایجاد می کند. علاوه بر ساختارهای پایه سلولی بازتولید شده در نواحی سطحی، توپولوژی را می توان با سایر تکنیک های شکل یابی نیز تولید کرد. تولید خط تنش یکی از راه های ممکن برای بهینه سازی سفتی در کمترین وزن ممکن است [13]. با این حال، ساختار لانه زنبوری که به طور گسترده در ساخت و سازهای ساندویچی استفاده می شود، به عنوان نقطه شروع توسعه خط تولید استفاده شده است. این شکل اساسی منجر به پیشرفت سریع در تولید می شود، به ویژه از طریق برنامه نویسی مسیر ابزار آسان. رفتار آن در پانل های کامپوزیت به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است [14، 15، 16] و ظاهر را می توان به روش های مختلفی از طریق پارامترسازی تغییر داد و همچنین می تواند برای مفاهیم بهینه سازی اولیه استفاده شود.
بسته به فرآیند اکستروژن مورد استفاده، پلیمرهای ترموپلاستیک زیادی برای انتخاب پلیمر وجود دارد. مطالعات اولیه اولیه مواد در مقیاس کوچک تعداد پلیمرهایی را که برای استفاده در نماها مناسب در نظر گرفته شده اند کاهش داده است [11]. پلی کربنات (PC) به دلیل مقاومت در برابر حرارت، مقاومت در برابر اشعه ماوراء بنفش و استحکام بالا امیدوار کننده است. با توجه به سرمایه گذاری فنی و مالی اضافی مورد نیاز برای پردازش پلی کربنات، پلی اتیلن ترفتالات اصلاح شده با اتیلن گلیکول (PETG) برای تولید اولین نمونه ها استفاده شد. پردازش آن در دماهای نسبتا پایین با خطر کم تنش حرارتی و تغییر شکل اجزا بسیار آسان است. نمونه اولیه نشان داده شده در اینجا از PETG بازیافت شده به نام PIPG ساخته شده است. این ماده ابتدا در دمای 60 درجه سانتیگراد به مدت حداقل 4 ساعت خشک شد و به صورت گرانولهایی با محتوای فیبر شیشه ای 20 درصد پردازش شد [17].
این چسب یک پیوند قوی بین ساختار هسته پلیمری و درب شیشه ای نازک ایجاد می کند. هنگامی که پانل های کامپوزیت تحت بارهای خمشی قرار می گیرند، اتصالات چسب تحت تنش برشی قرار می گیرند. بنابراین، چسب سخت تر ترجیح داده می شود و ممکن است انحراف را کاهش دهد. چسب های شفاف همچنین به ارائه کیفیت بصری بالا در هنگام چسباندن به شیشه شفاف کمک می کنند. یکی دیگر از عوامل مهم در انتخاب چسب، قابلیت ساخت و ادغام در فرآیندهای تولید خودکار است. در اینجا چسب های فرآوری UV با زمان پخت انعطاف پذیر می توانند موقعیت لایه های پوشش را تا حد زیادی ساده کنند. بر اساس آزمایش‌های اولیه، یک سری از چسب‌ها از نظر مناسب بودن برای پانل‌های کامپوزیت شیشه‌ای نازک آزمایش شدند [18]. Loctite® AA 3345™ اکریلات قابل درمان با اشعه ماوراء بنفش [19] به ویژه برای فرآیند زیر مناسب است.
برای استفاده از امکانات تولید افزودنی و انعطاف پذیری شیشه نازک، کل فرآیند به صورت دیجیتالی و پارامتریک طراحی شد. Grasshopper به عنوان یک رابط برنامه نویسی بصری استفاده می شود و از رابط بین برنامه های مختلف اجتناب می کند. تمامی رشته ها (مهندسی، مهندسی و ساخت) در یک فایل با بازخورد مستقیم اپراتور، یکدیگر را پشتیبانی و تکمیل خواهند کرد. در این مرحله از مطالعه، گردش کار هنوز در حال توسعه است و از الگوی نشان داده شده در شکل 2 پیروی می کند. اهداف مختلف را می توان در دسته های درون رشته ها گروه بندی کرد.
اگرچه تولید ساندویچ پانل در این مقاله با طراحی و آماده سازی ساخت کاربر محور به صورت خودکار انجام شده است، ادغام و اعتبار سنجی ابزارهای مهندسی فردی به طور کامل محقق نشده است. بر اساس طراحی پارامتریک هندسه نما، می توان پوسته بیرونی ساختمان را در سطح ماکرو (نما) و مزو (پانل های نما) طراحی کرد. در مرحله دوم، حلقه بازخورد مهندسی با هدف ارزیابی ایمنی و مناسب بودن و همچنین قابلیت زنده ماندن ساخت دیوار پرده ای می باشد. در نهایت پانل های به دست آمده برای تولید دیجیتال آماده می شوند. این برنامه ساختار هسته توسعه‌یافته را در G-code قابل خواندن توسط ماشین پردازش می‌کند و آن را برای تولید افزودنی، پس‌فرآوری کاهشی و پیوند شیشه آماده می‌کند.
فرآیند طراحی در دو سطح مختلف در نظر گرفته می شود. علاوه بر این که شکل ماکرو نماها بر هندسه هر پانل کامپوزیت تاثیر می گذارد، توپولوژی خود هسته را نیز می توان در سطح مزو طراحی کرد. هنگام استفاده از یک مدل نمای پارامتریک، شکل و ظاهر را می توان تحت تأثیر بخش های نمای نمونه با استفاده از لغزنده های نشان داده شده در شکل 3 قرار داد. بنابراین، سطح کل از یک سطح مقیاس پذیر تعریف شده توسط کاربر تشکیل شده است که می تواند با استفاده از جاذبه های نقطه ای تغییر شکل داده و با استفاده از آن اصلاح شود. تعیین حداقل و حداکثر درجه تغییر شکل. این انعطاف پذیری بالایی را در طراحی پاکت های ساختمانی فراهم می کند. با این حال، این درجه آزادی توسط محدودیت‌های فنی و ساخت محدود می‌شود، که سپس توسط الگوریتم‌های بخش مهندسی بازی می‌شود.
علاوه بر ارتفاع و عرض کل نما، تقسیم بندی پانل های نما نیز مشخص می شود. همانطور که برای پانل های نما فردی، می توان آنها را با دقت بیشتری در سطح مزو تعریف کرد. این روی توپولوژی خود ساختار هسته و همچنین ضخامت شیشه تاثیر می گذارد. این دو متغیر و همچنین اندازه تابلو ارتباط مهمی با مدلسازی مهندسی مکانیک دارند. طراحی و توسعه کل سطح ماکرو و مزو را می توان از نظر بهینه سازی در چهار دسته ساختار، عملکرد، زیبایی شناسی و طراحی محصول انجام داد. کاربران می توانند با اولویت بندی این مناطق، ظاهر و احساس کلی پوشش ساختمان را توسعه دهند.
این پروژه توسط بخش مهندسی با استفاده از یک حلقه بازخورد پشتیبانی می شود. برای این منظور، اهداف و شرایط مرزی در دسته بهینه سازی نشان داده شده در شکل 2 تعریف شده اند. آنها راهروهایی را ارائه می دهند که از نظر فنی امکان پذیر، از نظر فیزیکی سالم و ایمن هستند که از نقطه نظر مهندسی ساخته می شوند، که تأثیر قابل توجهی بر طراحی دارد. این نقطه شروع ابزارهای مختلفی است که می توانند مستقیماً در Grasshopper ادغام شوند. در تحقیقات بیشتر، خواص مکانیکی را می توان با استفاده از تحلیل المان محدود (FEM) یا حتی محاسبات تحلیلی ارزیابی کرد.
علاوه بر این، مطالعات تابش خورشیدی، تجزیه و تحلیل خط دید، و مدل‌سازی مدت زمان تابش آفتاب می‌توانند تأثیر پانل‌های کامپوزیت را بر فیزیک ساختمان ارزیابی کنند. مهم است که سرعت، کارایی و انعطاف‌پذیری فرآیند طراحی را بیش از حد محدود نکنید. به این ترتیب، نتایج به‌دست‌آمده در اینجا برای ارائه راهنمایی و پشتیبانی اضافی برای فرآیند طراحی طراحی شده‌اند و جایگزینی برای تجزیه و تحلیل دقیق و توجیه در پایان فرآیند طراحی نیستند. این برنامه استراتژیک پایه و اساس تحقیقات طبقه بندی شده بیشتر برای نتایج اثبات شده را می گذارد. به عنوان مثال، هنوز اطلاعات کمی در مورد رفتار مکانیکی پانل های کامپوزیت تحت شرایط مختلف بارگذاری و پشتیبانی وجود دارد.
پس از تکمیل طراحی و مهندسی، مدل برای تولید دیجیتال آماده است. فرآیند تولید به چهار مرحله فرعی تقسیم می شود (شکل 4). ابتدا، ساختار اصلی با استفاده از یک مرکز چاپ سه بعدی رباتیک در مقیاس بزرگ ساخته شد. سپس سطح با استفاده از همان سیستم روباتیک آسیاب می شود تا کیفیت سطح مورد نیاز برای اتصال خوب بهبود یابد. پس از آسیاب، چسب در امتداد ساختار هسته با استفاده از یک سیستم دوز طراحی شده ویژه نصب شده بر روی همان سیستم روباتیکی که برای فرآیند چاپ و فرز استفاده می شود، اعمال می شود. در نهایت، شیشه قبل از عمل آوری با اشعه ماوراء بنفش اتصال باند شده نصب و گذاشته می شود.
برای ساخت افزودنی، توپولوژی تعریف شده ساختار زیرین باید به زبان ماشین CNC (GCode) ترجمه شود. برای نتایج یکنواخت و با کیفیت، هدف چاپ هر لایه بدون افتادن نازل اکسترودر است. این امر از فشار بیش از حد ناخواسته در شروع و پایان حرکت جلوگیری می کند. بنابراین، یک اسکریپت تولید مسیر پیوسته برای الگوی سلولی مورد استفاده نوشته شد. این یک چند خط پیوسته پارامتریک با نقاط شروع و پایان یکسان ایجاد می کند که با اندازه پانل انتخابی، تعداد و اندازه لانه زنبوری مطابق با طراحی سازگار می شود. علاوه بر این، پارامترهایی مانند عرض خط و ارتفاع خط را می توان قبل از خط کشی برای دستیابی به ارتفاع مطلوب سازه اصلی مشخص کرد. مرحله بعدی در اسکریپت نوشتن دستورات G-code است.
این کار با ثبت مختصات هر نقطه روی خط با اطلاعات اضافی ماشین مانند سایر محورهای مربوطه برای موقعیت یابی و کنترل حجم اکستروژن انجام می شود. سپس G-code حاصل می تواند به ماشین های تولیدی منتقل شود. در این مثال، بازوی ربات صنعتی Comau NJ165 روی یک ریل خطی برای کنترل یک اکسترودر CEAD E25 مطابق G-code استفاده می شود (شکل 5). اولین نمونه اولیه از PETG پساصنعتی با محتوای فیبر شیشه ای 20 درصد استفاده کرد. از نظر تست مکانیکی، اندازه هدف نزدیک به اندازه صنعت ساختمان است، بنابراین ابعاد عنصر اصلی 1983 × 876 میلی متر با سلول های لانه زنبوری 6 × 4 است. 6 میلی متر و ارتفاع 2 میلی متر.
آزمایشات اولیه نشان داده است که بین چسب و رزین چاپ سه بعدی بسته به خواص سطح آن تفاوتی در استحکام چسب وجود دارد. برای انجام این کار، نمونه های آزمایشی ساخت افزودنی به شیشه چسبانده یا لمینت می شوند و تحت کشش یا برش قرار می گیرند. در طول پردازش مکانیکی اولیه سطح پلیمر توسط آسیاب، استحکام به طور قابل توجهی افزایش یافت (شکل 6). علاوه بر این، صافی هسته را بهبود می بخشد و از عیوب ناشی از اکستروژن بیش از حد جلوگیری می کند. آکریلات قابل درمان با اشعه ماوراء بنفش LOCTITE® AA 3345™ [19] که در اینجا استفاده می شود، به شرایط پردازش حساس است.
این اغلب منجر به انحراف استاندارد بالاتر برای نمونه های آزمایش باند می شود. پس از ساخت افزودنی، ساختار هسته روی دستگاه فرز پروفیل آسیاب شد. G-code مورد نیاز برای این عملیات به طور خودکار از مسیرهای ابزاری که قبلاً برای فرآیند چاپ سه بعدی ایجاد شده اند تولید می شود. ساختار هسته باید کمی بالاتر از ارتفاع هسته مورد نظر چاپ شود. در این مثال، ساختار هسته 18 میلی متری به 14 میلی متر کاهش یافته است.
این بخش از فرآیند تولید یک چالش بزرگ برای اتوماسیون کامل است. استفاده از چسب ها نیازهای زیادی به دقت و دقت ماشین آلات دارد. سیستم دوز پنوماتیک برای اعمال چسب در امتداد ساختار هسته استفاده می شود. توسط ربات در امتداد سطح فرز مطابق با مسیر ابزار تعریف شده هدایت می شود. به نظر می رسد که جایگزینی نوک توزیع سنتی با یک قلم مو بسیار سودمند است. این اجازه می دهد تا چسب های با ویسکوزیته پایین به طور یکنواخت بر اساس حجم پخش شوند. این مقدار با فشار موجود در سیستم و سرعت ربات تعیین می شود. برای دقت بیشتر و کیفیت اتصال بالا، سرعت های کم سفر 200 تا 800 میلی متر در دقیقه ترجیح داده می شود.
آکریلات با ویسکوزیته متوسط ​​1500 میلی‌پاسکال بر روی دیواره هسته پلیمری به عرض 6 میلی‌متر با استفاده از برس دوز با قطر داخلی 0.84 میلی‌متر و عرض برس 5 با فشار اعمالی 0.3 تا 0.6 میلی‌متر اعمال شد. میلی متر سپس چسب روی سطح بستر پخش می شود و به دلیل کشش سطحی، لایه ای به ضخامت 1 میلی متر را تشکیل می دهد. تعیین دقیق ضخامت چسب هنوز نمی تواند خودکار باشد. مدت زمان فرآیند یک معیار مهم برای انتخاب چسب است. ساختار هسته تولید شده در اینجا دارای طول مسیر 26 متر است و بنابراین زمان اجرای آن 30 تا 60 دقیقه است.
پس از زدن چسب، پنجره دوجداره را در جای خود نصب کنید. به دلیل ضخامت کم مواد، شیشه نازک در حال حاضر به شدت توسط وزن خود تغییر شکل داده است و بنابراین باید تا حد امکان به طور یکنواخت قرار گیرد. برای این کار از مکنده شیشه ای پنوماتیک با مکنده با زمان پراکنده استفاده می شود. با استفاده از جرثقیل روی قطعه قرار می گیرد و در آینده ممکن است مستقیماً با استفاده از روبات ها قرار گیرد. صفحه شیشه ای به موازات سطح هسته روی لایه چسب قرار داده شد. به دلیل وزن سبک تر، یک صفحه شیشه ای اضافی (ضخامت 4 تا 6 میلی متر) فشار روی آن را افزایش می دهد.
نتیجه باید خیس شدن کامل سطح شیشه در امتداد ساختار هسته باشد، همانطور که می توان از یک بازرسی اولیه بصری تفاوت های رنگی قابل مشاهده قضاوت کرد. فرآیند اعمال همچنین می تواند تأثیر قابل توجهی بر کیفیت اتصال باند شده نهایی داشته باشد. پس از چسباندن، پانل های شیشه ای نباید جابجا شوند، زیرا باعث ایجاد باقی مانده چسب قابل مشاهده روی شیشه و نقص در لایه چسب واقعی می شود. در نهایت، چسب با اشعه UV در طول موج 365 نانومتر پخت می شود. برای این کار یک لامپ UV با چگالی توان 6 mW/cm2 به مدت 60 ثانیه به تدریج از روی کل سطح چسب عبور داده می شود.
مفهوم پانل های کامپوزیت شیشه ای نازک سبک وزن و قابل تنظیم با هسته پلیمری ساخته شده با مواد افزودنی که در اینجا مورد بحث قرار می گیرد برای استفاده در نماهای آینده در نظر گرفته شده است. بنابراین، پانل های کامپوزیت باید با استانداردهای قابل اجرا مطابقت داشته باشند و الزامات مربوط به حالت های حد سرویس (SLS)، حالت های حد مقاومت نهایی (ULS) و الزامات ایمنی را برآورده کنند. بنابراین، پانل های کامپوزیت باید به اندازه کافی ایمن، محکم و سفت باشند تا در برابر بارها (مانند بارهای سطحی) بدون شکستگی یا تغییر شکل بیش از حد مقاومت کنند. برای بررسی پاسخ مکانیکی پانل‌های کامپوزیت شیشه‌ای نازک قبلاً ساخته شده (همانطور که در بخش تست مکانیکی توضیح داده شد)، آنها تحت آزمایش‌های بار باد قرار گرفتند که در بخش فرعی بعدی توضیح داده شد.
هدف از آزمایش فیزیکی بررسی خواص مکانیکی پانل های کامپوزیت دیوارهای خارجی تحت بارهای باد است. برای این منظور، پانل های کامپوزیتی متشکل از یک ورق بیرونی شیشه ای کامل به ضخامت 3 میلی متر و یک هسته ساخته شده با مواد افزودنی به ضخامت 14 میلی متر (از PIPG-GF20) همانطور که در بالا توضیح داده شد با استفاده از چسب Henkel Loctite AA 3345 ساخته شدند (شکل 7 سمت چپ). )). . سپس پانل های کامپوزیت با پیچ های فلزی که از طریق قاب چوبی و به طرفین سازه اصلی هدایت می شوند، به قاب تکیه گاه چوب متصل می شوند. 30 پیچ در اطراف محیط پانل قرار داده شد (خط مشکی سمت چپ در شکل 7 را ببینید) تا شرایط پشتیبانی خطی در اطراف محیط را تا حد امکان بازتولید کند.
سپس قاب آزمایشی با اعمال فشار باد یا مکش باد در پشت پانل کامپوزیت به دیوار آزمایش بیرونی مهر و موم شد (شکل 7، سمت راست بالا). برای ثبت داده ها از سیستم همبستگی دیجیتال (DIC) استفاده می شود. برای انجام این کار، شیشه بیرونی پانل کامپوزیت را با یک ورق الاستیک نازک که روی آن با الگوی نویز مروارید چاپ شده پوشانده شده است (شکل 7، پایین سمت راست). DIC از دو دوربین برای ثبت موقعیت نسبی تمام نقاط اندازه گیری در کل سطح شیشه استفاده می کند. دو تصویر در ثانیه ثبت شد و برای ارزیابی استفاده شد. فشار در محفظه، که توسط پانل های کامپوزیت احاطه شده است، با استفاده از یک فن با افزایش 1000 Pa تا حداکثر مقدار 4000 Pa افزایش می یابد، به طوری که هر سطح بار برای 10 ثانیه حفظ می شود.
تنظیم فیزیکی آزمایش نیز با یک مدل عددی با همان ابعاد هندسی نشان داده شده است. برای این کار از برنامه عددی Ansys Mechanical استفاده شده است. ساختار هسته مش هندسی با استفاده از عناصر شش ضلعی SOLID 185 با اضلاع 20 میلی متر برای شیشه و عناصر SOLID 187 چهار وجهی با اضلاع 3 میلی متر بود. برای ساده‌سازی مدل‌سازی، در این مرحله از مطالعه، در اینجا فرض می‌شود که آکریلات مورد استفاده در حالت ایده‌آل سفت و نازک است و به عنوان یک پیوند صلب بین شیشه و مواد هسته تعریف می‌شود.
پانل های کامپوزیت در یک خط مستقیم در خارج از هسته ثابت می شوند و پانل شیشه ای تحت یک بار فشار سطحی 4000 Pa است. اگرچه غیرخطی های هندسی در مدل سازی در نظر گرفته شد، اما در این مرحله فقط از مدل های مواد خطی استفاده شد. مطالعه کنید اگرچه این یک فرض معتبر برای پاسخ الاستیک خطی شیشه است (E = 70,000 MPa)، با توجه به برگه داده سازنده مواد هسته پلیمری (ویسکوالاستیک) [17]، سختی خطی E = 8245 MPa در تجزیه و تحلیل فعلی باید به شدت مورد توجه قرار گیرد و در تحقیقات آینده مورد مطالعه قرار خواهد گرفت.
نتایج ارائه شده در اینجا عمدتاً برای تغییر شکل‌ها در حداکثر بار باد تا 4000 Pa (=ˆ4kN/m2) ارزیابی می‌شوند. برای این کار، تصاویر ثبت شده با روش DIC با نتایج شبیه سازی عددی (FEM) مقایسه شد (شکل 8، پایین سمت راست). در حالی که یک کرنش کل ایده آل 0 میلی متر با تکیه گاه های خطی "ایده آل" در ناحیه لبه (یعنی محیط پانل) در FEM محاسبه می شود، جابجایی فیزیکی ناحیه لبه باید هنگام ارزیابی DIC در نظر گرفته شود. این به دلیل تحمل نصب و تغییر شکل قاب تست و آب بندی آن است. برای مقایسه، میانگین جابجایی در ناحیه لبه (خط سفید چین خورده در شکل 8) از حداکثر جابجایی در مرکز پانل کم شد. جابجایی های تعیین شده توسط DIC و FEA در جدول 1 مقایسه شده و به صورت گرافیکی در گوشه سمت چپ بالای شکل 8 نشان داده شده است.
چهار سطح بار اعمال شده از مدل تجربی به عنوان نقاط کنترل برای ارزیابی استفاده شد و در FEM ارزیابی شد. حداکثر جابجایی مرکزی صفحه کامپوزیت در حالت بدون بار با اندازه گیری های DIC در سطح بار 4000 Pa در 2.18 میلی متر تعیین شد. در حالی که جابجایی‌های FEA در بارهای پایین‌تر (تا 2000 Pa) هنوز هم می‌تواند مقادیر تجربی را با دقت بازتولید کند، افزایش غیرخطی کرنش در بارهای بالاتر را نمی‌توان دقیقاً محاسبه کرد.
با این حال، مطالعات نشان داده اند که پانل های کامپوزیت می توانند بارهای شدید باد را تحمل کنند. استحکام بالای پانل های سبک وزن به طور خاص خودنمایی می کند. با استفاده از محاسبات تحلیلی بر اساس تئوری خطی صفحات Kirchhoff [20]، تغییر شکل 2.18 میلی متر در 4000 Pa مربوط به تغییر شکل یک صفحه شیشه ای منفرد به ضخامت 12 میلی متر در شرایط مرزی یکسان است. در نتیجه، ضخامت شیشه (که در تولید انرژی بر است) در این پانل کامپوزیت را می توان به شیشه 2×3 میلی متر کاهش داد و در نتیجه باعث صرفه جویی 50 درصدی در مواد می شود. کاهش وزن کلی پانل مزایای بیشتری از نظر مونتاژ فراهم می کند. در حالی که یک پانل کامپوزیت 30 کیلوگرمی به راحتی توسط دو نفر قابل حمل است، یک پانل شیشه ای سنتی 50 کیلوگرمی برای حرکت ایمن نیاز به پشتیبانی فنی دارد. به منظور نمایش دقیق رفتار مکانیکی، مدل‌های عددی دقیق‌تری در مطالعات آتی مورد نیاز خواهد بود. تجزیه و تحلیل اجزای محدود را می توان با مدل های مواد غیرخطی گسترده تر برای پلیمرها و مدل سازی پیوند چسب افزایش داد.
توسعه و بهبود فرآیندهای دیجیتال نقش کلیدی در بهبود عملکرد اقتصادی و زیست محیطی در صنعت ساخت و ساز دارد. علاوه بر این، استفاده از شیشه های نازک در نماها وعده صرفه جویی در انرژی و منابع را می دهد و امکانات جدیدی را برای معماری باز می کند. با این حال، به دلیل ضخامت کم شیشه، راه حل های طراحی جدید برای تقویت کافی شیشه مورد نیاز است. بنابراین، مطالعه ارائه شده در این مقاله مفهوم پانل های کامپوزیت ساخته شده از شیشه نازک و ساختارهای هسته پلیمری تقویت شده با چاپ سه بعدی را بررسی می کند. کل فرآیند تولید از طراحی تا تولید دیجیتالی و خودکار شده است. با کمک Grasshopper، یک گردش کار فایل به کارخانه ایجاد شد تا امکان استفاده از پانل های کامپوزیت شیشه ای نازک در نماهای آینده را فراهم کند.
تولید اولین نمونه اولیه امکان سنجی و چالش های ساخت رباتیک را نشان داد. در حالی که تولید افزودنی و کاهشی در حال حاضر به خوبی ادغام شده اند، کاربرد چسب کاملاً خودکار و مونتاژ به ویژه چالش های دیگری را ایجاد می کند که باید در تحقیقات آینده مورد توجه قرار گیرد. از طریق آزمایش‌های مکانیکی اولیه و مدل‌سازی تحقیقات اجزای محدود مرتبط، نشان داده شده است که پانل‌های فایبرگلاس سبک و نازک، سختی خمشی کافی را برای کاربردهای نمای مورد نظر خود، حتی در شرایط بار شدید باد، فراهم می‌کنند. تحقیقات در حال انجام نویسندگان پتانسیل پانل های کامپوزیت شیشه ای نازک ساخته شده دیجیتالی را برای کاربردهای نما بیشتر بررسی خواهد کرد و اثربخشی آنها را نشان می دهد.
نویسندگان مایلند از همه حامیان مرتبط با این کار تحقیقاتی تشکر کنند. با تشکر از برنامه تامین مالی EFRE SAB که از بودجه اتحادیه اروپا در قالب کمک مالی شماره برای تامین منابع مالی برای خرید یک دستکاری با یک اکسترودر و یک دستگاه فرز تامین می شود. 100537005. علاوه بر این، AiF-ZIM برای تامین مالی پروژه تحقیقاتی Glasfur3D (شماره کمک هزینه ZF4123725WZ9) با همکاری Glaswerkstätten Glas Ahne، که حمایت قابل توجهی از این کار تحقیقاتی ارائه کرد، شناخته شد. در نهایت، آزمایشگاه فردریش زیمنس و همکارانش، به ویژه فلیکس هگوالد و دستیار دانشجو جاناتان هولزر، پشتیبانی فنی و اجرای ساخت و آزمایش فیزیکی را که اساس این مقاله را تشکیل می‌داد، تصدیق می‌کنند.