אבות טיפוס של לוחות חזית מרוכבים מזכוכית דקה שיוצרו דיגיטלית

השימוש בזכוכית דקה מבטיח למלא משימות שונות בענף הבנייה. בנוסף ליתרונות הסביבתיים של שימוש יעיל יותר במשאבים, אדריכלים יכולים להשתמש בזכוכית דקה כדי להשיג דרגות חדשות של חופש עיצובי. בהתבסס על תיאוריית הסנדוויץ', ניתן לשלב זכוכית דקה גמישה עם ליבת פולימר עם תאים פתוחים מודפסים בתלת מימד ליצירת קשיחה וקלת משקל. אלמנטים מרוכבים. מאמר זה מציג ניסיון חקרני לייצור דיגיטלי של לוחות חזית מרוכבים מזכוכית באמצעות רובוטים תעשייתיים. הוא מסביר את הרעיון של דיגיטציה של זרימות עבודה ממפעל למפעל, כולל תכנון בעזרת מחשב (CAD), הנדסה (CAE) וייצור (CAM). המחקר מדגים תהליך עיצוב פרמטרי המאפשר אינטגרציה חלקה של כלי ניתוח דיגיטליים.
בנוסף, תהליך זה מדגים את הפוטנציאל והאתגרים של ייצור דיגיטלי של לוחות מרוכבים מזכוכית דקה. חלק משלבי הייצור המבוצעים על ידי זרוע רובוט תעשייתית, כגון ייצור תוסף בפורמט גדול, עיבוד משטח, תהליכי הדבקה והרכבה, מוסברים כאן. לבסוף, לראשונה, הושגה הבנה עמוקה של התכונות המכניות של לוחות מרוכבים באמצעות מחקרים ניסיוניים ומספריים והערכה של התכונות המכניות של לוחות מרוכבים תחת עומס משטח. התפיסה הכוללת של עיצוב דיגיטלי וזרימת עבודה של ייצור, כמו גם תוצאות מחקרים ניסיוניים, מספקים בסיס לשילוב נוסף של שיטות הגדרת צורות וניתוח, כמו גם לביצוע מחקרים מכניסטיים נרחבים במחקרים עתידיים.
שיטות ייצור דיגיטליות מאפשרות לנו לשפר את הייצור על ידי שינוי שיטות מסורתיות ומתן אפשרויות עיצוב חדשות [1]. שיטות בנייה מסורתיות נוטות לעשות שימוש יתר בחומרים מבחינת עלות, גיאומטריה בסיסית ובטיחות. על ידי העברת בנייה למפעלים, שימוש ביצור טרומי מודולרי ורובוטיקה ליישום שיטות עיצוב חדשות, ניתן להשתמש בחומרים ביעילות מבלי לפגוע בבטיחות. ייצור דיגיטלי מאפשר לנו להרחיב את הדמיון העיצובי שלנו כדי ליצור צורות גיאומטריות מגוונות, יעילות ושאפתניות יותר. בעוד שתהליכי התכנון והחישוב עברו דיגיטציה ברובם, הייצור וההרכבה עדיין נעשים ברובם ביד בדרכים מסורתיות. כדי להתמודד עם מבנים מורכבים יותר ויותר בצורה חופשית, תהליכי ייצור דיגיטליים הופכים חשובים יותר ויותר. השאיפה לחופש וגמישות עיצובית, במיוחד בכל הנוגע לחזיתות, גוברת בהתמדה. בנוסף לאפקט החזותי, חזיתות בצורה חופשית מאפשרות גם ליצור מבנים יעילים יותר, למשל, באמצעות שימוש באפקטים של ממברנה [2]. בנוסף, הפוטנציאל הגדול של תהליכי ייצור דיגיטליים טמון ביעילותם ובאפשרות לייעול עיצוב.
מאמר זה בוחן כיצד ניתן להשתמש בטכנולוגיה דיגיטלית לעיצוב ולייצר פאנל חזית מרוכב חדשני המורכב מליבת פולימר מיוצרת בתוספת ולוחות חיצוניים מזכוכית דקה מלוכדת. בנוסף לאפשרויות האדריכליות החדשות הקשורות לשימוש בזכוכית דקה, קריטריונים סביבתיים וכלכליים היו גם מניעים חשובים לשימוש בפחות חומר לבניית מעטפת הבניין. עם שינויי אקלים, מחסור במשאבים ועליית מחירי האנרגיה בעתיד, יש להשתמש בזכוכית בצורה חכמה יותר. השימוש בזכוכית דקה בעובי של פחות מ-2 מ"מ מתעשיית האלקטרוניקה הופך את החזית לקלילה ומפחית את השימוש בחומרי גלם.
בשל הגמישות הגבוהה של זכוכית דקה, היא פותחת אפשרויות חדשות ליישומים אדריכליים ובמקביל מציבה אתגרים הנדסיים חדשים [3,4,5,6]. בעוד שהיישום הנוכחי של פרויקטי חזית באמצעות זכוכית דקה מוגבל, זכוכית דקה נמצאת יותר ויותר בשימוש בהנדסה אזרחית ולימודי אדריכלות. בשל היכולת הגבוהה של זכוכית דקה לעיוות אלסטי, השימוש בה בחזיתות דורש פתרונות מבניים מחוזקים [7]. בנוסף לניצול אפקט הממברנה עקב הגיאומטריה המעוקלת [8], ניתן להגדיל את מומנט האינרציה גם על ידי מבנה רב שכבתי המורכב מליבת פולימר ויריעת זכוכית חיצונית דקה מודבקת. גישה זו הוכיחה הבטחה בשל השימוש בליבת פוליקרבונט שקופה קשה, שהיא פחות צפופה מזכוכית. בנוסף לפעולה המכנית החיובית, התקיימו קריטריוני בטיחות נוספים [9].
הגישה במחקר הבא מבוססת על אותו תפיסה, אך תוך שימוש בליבה שקופה עם נקבוביות פתוחות שיוצרה באופן נוסף. זה מבטיח דרגה גבוהה יותר של חופש גיאומטרי ואפשרויות עיצוב, כמו גם שילוב של הפונקציות הפיזיקליות של הבניין [10]. לוחות מרוכבים כאלה הוכחו יעילים במיוחד בבדיקות מכניות [11] ומבטיחים להפחית את כמות הזכוכית בשימוש עד 80%. זה לא רק יפחית את המשאבים הנדרשים, אלא גם יפחית משמעותית את משקל הפאנלים, ובכך יגדיל את היעילות של התשתית. אבל צורות בנייה חדשות דורשות צורות ייצור חדשות. מבנים יעילים דורשים תהליכי ייצור יעילים. עיצוב דיגיטלי תורם לייצור דיגיטלי. מאמר זה ממשיך את המחקר הקודם של המחבר על ידי הצגת מחקר על תהליך הייצור הדיגיטלי של לוחות מרוכבים זכוכית דקים לרובוטים תעשייתיים. ההתמקדות היא בדיגיטציה של זרימת העבודה בין הקבצים למפעל של אבות הטיפוס הראשונים בפורמט גדול כדי להגביר את האוטומציה של תהליך הייצור.
הפאנל המרוכב (איור 1) מורכב משתי שכבות זכוכית דקות הכרוכות סביב ליבת פולימר AM. שני החלקים מחוברים בדבק. מטרת התכנון הזה היא לחלק את העומס על כל הקטע בצורה יעילה ככל האפשר. רגעי כיפוף יוצרים מתחים נורמליים במעטפת. כוחות רוחביים גורמים למתחי גזירה במפרקי הליבה והדבקים.
השכבה החיצונית של מבנה הסנדוויץ' עשויה מזכוכית דקה. באופן עקרוני, ייעשה שימוש בזכוכית סיליקט סודה-ליים. עם עובי יעד < 2 מ"מ, תהליך הטמפרור התרמי מגיע למגבלה הטכנולוגית הנוכחית. זכוכית אלומינוסיליקט מחוזקת כימית עשויה להיחשב מתאימה במיוחד אם נדרש חוזק גבוה יותר עקב עיצוב (למשל לוחות מקופלים קרים) או שימוש [12]. פונקציות העברת האור והגנה על הסביבה יושלמו על ידי תכונות מכניות טובות כמו עמידות טובה לשריטות ומודול יאנג גבוה יחסית לחומרים אחרים המשמשים בחומרים מרוכבים. בשל הגודל המוגבל הזמין עבור זכוכית דקה מחוסמת כימית, לוחות של זכוכית סודה-ליים מחוסמת במלואה בעובי 3 מ"מ שימשו ליצירת אב הטיפוס הראשון בקנה מידה גדול.
המבנה התומך נחשב כחלק מעוצב מהלוח המרוכב. כמעט כל התכונות מושפעות ממנו. הודות לשיטת הייצור התוסף, היא מהווה גם את מרכז תהליך הייצור הדיגיטלי. תרמופלסטיים מעובדים על ידי היתוך. זה מאפשר להשתמש במספר רב של פולימרים שונים עבור יישומים ספציפיים. ניתן לעצב את הטופולוגיה של האלמנטים העיקריים בהדגשה שונה בהתאם לתפקודם. לצורך כך ניתן לחלק עיצוב צורות לארבע קטגוריות העיצוב הבאות: עיצוב מבני, עיצוב פונקציונלי, עיצוב אסתטי ועיצוב ייצור. לכל קטגוריה יכולות להיות מטרות שונות, מה שיכול להוביל לטופולוגיות שונות.
במהלך המחקר המקדים, נבדקו חלק מהעיצובים העיקריים לגבי התאמת העיצוב שלהם [11]. מנקודת מבט מכנית, משטח הליבה המינימלי בן שלוש התקופות של הג'ירוסקופ יעיל במיוחד. זה מספק עמידות מכנית גבוהה לכיפוף בצריכת חומרים נמוכה יחסית. בנוסף למבנים הבסיסיים התאיים המשוכפלים באזורי פני השטח, ניתן ליצור את הטופולוגיה גם על ידי טכניקות אחרות למציאת צורות. יצירת קו מתח היא אחת הדרכים האפשריות לייעל את הנוקשות במשקל הנמוך ביותר האפשרי [13]. עם זאת, מבנה חלת הדבש, בשימוש נרחב בקונסטרוקציות של סנדוויץ', שימש כנקודת מוצא לפיתוח קו הייצור. צורה בסיסית זו מובילה להתקדמות מהירה בייצור, במיוחד באמצעות תכנות קל של נתיב כלים. ההתנהגות שלו בלוחות מרוכבים נחקרה בהרחבה [14, 15, 16] וניתן לשנות את המראה בדרכים רבות באמצעות פרמטריזציה וניתן להשתמש בה גם עבור מושגי אופטימיזציה ראשוניים.
ישנם פולימרים תרמופלסטיים רבים שיש לקחת בחשבון בעת ​​בחירת פולימר, בהתאם לתהליך האקסטרוזיה המשמש. מחקרים ראשוניים של חומרים בקנה מידה קטן הפחיתו את מספר הפולימרים הנחשבים מתאימים לשימוש בחזיתות [11]. פוליקרבונט (PC) מבטיח בשל עמידות החום שלו, עמידות UV וקשיחות גבוהה. בשל ההשקעה הטכנית והפיננסית הנוספת הנדרשת לעיבוד פוליקרבונט, נעשה שימוש בפוליאתילן-טרפתלאט עם שינוי אתילן גליקול (PETG) לייצור אבות הטיפוס הראשונים. קל במיוחד לעיבוד בטמפרטורות נמוכות יחסית עם סיכון נמוך ללחץ תרמי ועיוות רכיב. אב הטיפוס המוצג כאן עשוי מ-PETG ממוחזר הנקרא PIPG. החומר יובש מראש ב-60 מעלות צלזיוס למשך 4 שעות לפחות ועובד לגרגירים עם תכולת סיבי זכוכית של 20% [17].
הדבק מספק קשר חזק בין מבנה ליבת הפולימר למכסה הזכוכית הדק. כאשר לוחות מרוכבים נתונים לעומסי כיפוף, מפרקי הדבק נתונים ללחץ גזירה. לכן, עדיף דבק קשה יותר ועשוי להפחית את הסטייה. דבקים שקופים גם עוזרים לספק איכות חזותית גבוהה כאשר הם מודבקים לזכוכית שקופה. גורם חשוב נוסף בבחירת דבק הוא יכולת ייצור ושילוב בתהליכי ייצור אוטומטיים. כאן דבקים לריפוי UV עם זמני ריפוי גמישים יכולים לפשט מאוד את המיקום של שכבות הכיסוי. בהתבסס על בדיקות מקדימות, סדרת דבקים נבדקה על התאמתם ללוחות מרוכבים זכוכית דקים [18]. Loctite® AA 3345™ אקרילט ניתן לריפוי UV [19] הוכח כמתאים במיוחד לתהליך הבא.
כדי לנצל את האפשרויות של ייצור תוסף וגמישות של זכוכית דקה, כל התהליך תוכנן לעבוד בצורה דיגיטלית ופרמטרית. Grasshopper משמש כממשק תכנות ויזואלי, תוך הימנעות ממשקים בין תוכניות שונות. כל הדיסציפלינות (הנדסה, הנדסה וייצור) יתמכו וישלימו זה את זה בקובץ אחד עם משוב ישיר מהמפעיל. בשלב זה של המחקר, זרימת העבודה עדיין בפיתוח ועוקבת אחר הדפוס המוצג באיור 2. ניתן לקבץ את המטרות השונות לקטגוריות בתוך דיסציפלינות.
למרות שהייצור של לוחות סנדוויץ' במאמר זה עבר אוטומטית עם עיצוב ממוקד משתמש והכנת ייצור, השילוב והאימות של כלים הנדסיים בודדים לא מומשו במלואם. בהתבסס על התכנון הפרמטרי של גיאומטריית החזית, ניתן לתכנן את המעטפת החיצונית של המבנה ברמת המאקרו (חזית) ומזו (לוחות חזית). בשלב השני, לולאת המשוב ההנדסי שואפת להעריך את הבטיחות וההתאמה, כמו גם את הכדאיות של ייצור קיר מסך. לבסוף, הלוחות המתקבלים מוכנים לייצור דיגיטלי. התוכנית מעבדת את מבנה הליבה שפותח בקוד G הניתן לקריאה במכונה ומכינה אותו לייצור תוסף, עיבוד לאחר חיסור והדבקת זכוכית.
תהליך העיצוב נחשב בשתי רמות שונות. בנוסף לעובדה שצורת המאקרו של החזיתות משפיעה על הגיאומטריה של כל לוח מורכב, ניתן לעצב את הטופולוגיה של הליבה עצמה גם ברמת המזו. בעת שימוש במודל חזית פרמטרי, הצורה והמראה יכולים להיות מושפעים מחתכי החזית לדוגמה באמצעות המחוונים המוצגים באיור 3. לפיכך, המשטח הכולל מורכב ממשטח ניתן להרחבה המוגדר על ידי המשתמש שניתן לעוות באמצעות מושכים נקודתיים ולשנות על ידי ציון דרגת דפורמציה מינימלית ומקסימלית. זה מספק רמה גבוהה של גמישות בתכנון של מעטפות בניין. עם זאת, דרגת חופש זו מוגבלת על ידי אילוצים טכניים וייצוריים, המופעלים לאחר מכן על ידי האלגוריתמים בחלק ההנדסי.
בנוסף לגובה ולרוחב של כל החזית, נקבעת חלוקת לוחות החזית. לגבי לוחות חזית בודדים, ניתן להגדיר אותם בצורה מדויקת יותר ברמת meso. זה משפיע על הטופולוגיה של מבנה הליבה עצמו, כמו גם על עובי הזכוכית. לשני המשתנים הללו, כמו גם לגודל הפאנל, יש קשר חשוב עם מודלים הנדסיים מכניים. התכנון והפיתוח של כל רמת המאקרו והמסו יכולים להתבצע מבחינת אופטימיזציה בארבע הקטגוריות של מבנה, תפקוד, אסתטיקה ועיצוב מוצר. משתמשים יכולים לפתח את המראה והתחושה הכלליים של מעטפת הבניין על ידי תעדוף אזורים אלה.
הפרויקט נתמך על ידי החלק ההנדסי באמצעות לולאת משוב. לשם כך, יעדים ותנאי גבול מוגדרים בקטגוריית האופטימיזציה המוצגת באיור 2. הם מספקים מסדרונות ברי ביצוע טכנית, תקינים פיזית ובטוחים לבנייה מנקודת מבט הנדסית, שיש לה השפעה משמעותית על התכנון. זוהי נקודת המוצא לכלים שונים שניתן לשלב ישירות בגראסהופר. בחקירות נוספות, ניתן להעריך תכונות מכניות באמצעות ניתוח אלמנטים סופיים (FEM) או אפילו חישובים אנליטיים.
בנוסף, מחקרי קרינת שמש, ניתוח קו ראייה ומידול משך השמש יכולים להעריך את ההשפעה של לוחות מרוכבים על פיזיקת הבניין. חשוב לא להגביל יתר על המידה את המהירות, היעילות והגמישות של תהליך התכנון. ככאלה, התוצאות המתקבלות כאן נועדו לספק הדרכה ותמיכה נוספת לתהליך התכנון ואינן מהוות תחליף לניתוח מפורט והצדקה בסוף תהליך התכנון. תוכנית אסטרטגית זו מניחה את הבסיס למחקר קטגורי נוסף לתוצאות מוכחות. לדוגמה, מעט ידוע עדיין על ההתנהגות המכנית של לוחות מרוכבים בתנאי עומס ותמיכה שונים.
לאחר השלמת התכנון וההנדסה, הדגם מוכן לייצור דיגיטלי. תהליך הייצור מחולק לארבעה שלבי משנה (איור 4). ראשית, המבנה הראשי יוצר באופן נוסף באמצעות מתקן הדפסת תלת מימד רובוטית בקנה מידה גדול. לאחר מכן המשטח נטחן באמצעות אותה מערכת רובוטית כדי לשפר את איכות פני השטח הנדרשת להדבקה טובה. לאחר הטחינה, הדבק מיושם לאורך מבנה הליבה באמצעות מערכת מינון שתוכננה במיוחד המותקנת על אותה מערכת רובוטית המשמשת לתהליך ההדפסה והטחינה. לבסוף, הזכוכית מותקנת ומונחת לפני ריפוי UV של המפרק המלוכד.
עבור ייצור תוסף, יש לתרגם את הטופולוגיה המוגדרת של המבנה הבסיסי לשפת מכונת CNC (GCode). לתוצאות אחידות ואיכותיות, המטרה היא להדפיס כל שכבה מבלי שפיזת האקסטרודר תיפול. זה מונע לחץ יתר לא רצוי בתחילת התנועה ובסופה. לכן, סקריפט יצירת מסלול מתמשך נכתב עבור תבנית התא בשימוש. פעולה זו תיצור פוליליין רציף פרמטרי עם אותן נקודות התחלה וסיום, המתאים לגודל הלוח שנבחר, למספר ולגודל של חלות הדבש לפי העיצוב. בנוסף, ניתן לציין פרמטרים כמו רוחב קו וגובה קו לפני הנחת קווים להשגת הגובה הרצוי של המבנה הראשי. השלב הבא בסקריפט הוא כתיבת פקודות G-code.
זה נעשה על ידי רישום הקואורדינטות של כל נקודה על הקו עם מידע נוסף על המכונה כגון צירים רלוונטיים אחרים למיקום ובקרת עוצמת הקול. לאחר מכן ניתן להעביר את קוד ה-G המתקבל למכונות ייצור. בדוגמה זו, זרוע רובוט תעשייתית Comau NJ165 על מסילה ליניארית משמשת לשליטה באקסטרודר CEAD E25 לפי קוד G (איור 5). אב הטיפוס הראשון השתמש ב-PETG פוסט-תעשייתי עם תכולת סיבי זכוכית של 20%. מבחינת בדיקה מכנית, גודל היעד קרוב לגודל ענף הבנייה, ולכן מידות האלמנט העיקרי הן 1983 × 876 מ"מ עם 6 × 4 תאי חלת דבש. 6 מ"מ וגובה 2 מ"מ.
בדיקות ראשוניות הראו שיש הבדל בחוזק ההדבקה בין שרף דבק להדפסה תלת מימדית בהתאם לתכונות פני השטח שלו. לשם כך, דגימות בדיקה לייצור תוסף מודבקות או למינציה על זכוכית ונתונות למתח או גזירה. במהלך עיבוד מכני ראשוני של משטח הפולימר על ידי כרסום, החוזק גדל באופן משמעותי (איור 6). בנוסף, היא משפרת את השטיחות של הליבה ומונעת פגמים הנגרמים משחול יתר. האקרילט LOCTITE® AA 3345™ [19] הניתן לריפוי UV המשמש כאן רגיש לתנאי עיבוד.
זה גורם לרוב לסטיית תקן גבוהה יותר עבור דגימות בדיקת האג"ח. לאחר ייצור תוסף, מבנה הליבה נטחן במכונת כרסום פרופילים. קוד ה-G הנדרש לפעולה זו נוצר אוטומטית מנתיבי כלים שכבר נוצרו עבור תהליך ההדפסה התלת מימדית. מבנה הליבה צריך להיות מודפס מעט גבוה יותר מגובה הליבה המיועד. בדוגמה זו, מבנה הליבה בעובי 18 מ"מ הצטמצם ל-14 מ"מ.
חלק זה של תהליך הייצור הוא אתגר מרכזי עבור אוטומציה מלאה. השימוש בדבקים מציב דרישות גבוהות לדיוק ודיוק המכונות. מערכת המינון הפנאומטית משמשת ליישום הדבק לאורך מבנה הליבה. הוא מונחה על ידי הרובוט לאורך משטח הכרסום בהתאם לנתיב הכלי שהוגדר. מסתבר שהחלפת קצה ההחלקה המסורתי במברשת יתרון במיוחד. זה מאפשר להפיץ דבקים עם צמיגות נמוכה באופן אחיד לפי נפח. כמות זו נקבעת לפי הלחץ במערכת ומהירות הרובוט. לקבלת דיוק רב יותר ואיכות הדבקה גבוהה, עדיפות למהירויות נסיעה נמוכות של 200 עד 800 מ"מ לדקה.
אקרילט עם צמיגות ממוצעת של 1500 mPa*s נמרח על דופן ליבת הפולימר ברוחב 6 מ"מ באמצעות מברשת מינון בקוטר פנימי של 0.84 מ"מ ורוחב מברשת 5 בלחץ מופעל של 0.3 עד 0.6 מ"ר. מ"מ. לאחר מכן נפזר הדבק על פני המצע ויוצר שכבה בעובי 1 מ"מ עקב מתח פני השטח. הקביעה המדויקת של עובי הדבק עדיין לא יכולה להיות אוטומטית. משך התהליך הוא קריטריון חשוב לבחירת דבק. למבנה הליבה המיוצר כאן יש אורך מסילה של 26 מ' ולכן זמן יישום של 30 עד 60 דקות.
לאחר מריחת הדבק, התקן את החלון בעל זיגוג כפול במקומו. בגלל העובי הנמוך של החומר, זכוכית דקה כבר מעוותת מאוד בגלל המשקל שלה ולכן יש למקם אותה בצורה אחידה ככל האפשר. לשם כך משתמשים בכוסות יניקה פנאומטיות מזכוכית עם כוסות יניקה מפוזרות בזמן. הוא ממוקם על הרכיב באמצעות מנוף, ובעתיד עשוי להיות ממוקם ישירות באמצעות רובוטים. לוח הזכוכית הונח במקביל לפני השטח של הליבה על שכבת הדבק. בשל המשקל הקל יותר, לוחית זכוכית נוספת (עובי 4 עד 6 מ"מ) מגבירה את הלחץ עליה.
התוצאה צריכה להיות הרטבה מלאה של משטח הזכוכית לאורך מבנה הליבה, כפי שניתן לשפוט מבדיקה ויזואלית ראשונית של הבדלי צבע גלויים. לתהליך היישום יכול להיות גם השפעה משמעותית על איכות המפרק המלוכד הסופי. לאחר ההדבקה, אין להזיז את לוחות הזכוכית שכן הדבר יגרום לשאריות דבק גלויות על הזכוכית ולפגמים בשכבת הדבק בפועל. לבסוף, הדבק נרפא עם קרינת UV באורך גל של 365 ננומטר. לשם כך, מנורת UV עם צפיפות הספק של 6 mW/cm2 מועברת בהדרגה על פני כל משטח הדבק למשך 60 שניות.
הקונספט של לוחות מרוכבים זכוכית דקים קלים וניתנים להתאמה אישית עם ליבת פולימר מיוצרים באופן נוסף שנדון כאן מיועד לשימוש בחזיתות עתידיות. לפיכך, לוחות מרוכבים חייבים לעמוד בתקנים הרלוונטיים ולעמוד בדרישות לגבי מצבי הגבלת שירות (SLS), מצבי הגבלת חוזק סופי (ULS) ודרישות בטיחות. לכן, לוחות מרוכבים חייבים להיות בטוחים, חזקים ונוקשים מספיק כדי לעמוד בעומסים (כגון עומסי משטח) ללא שבירה או עיוות מוגזם. כדי לחקור את התגובה המכנית של לוחות מרוכבים זכוכית דקים שיוצרו בעבר (כמתואר בסעיף בדיקות מכניות), הם עברו בדיקות עומס רוח כמתואר בסעיף המשנה הבא.
מטרת הבדיקה הפיזית היא ללמוד את התכונות המכניות של לוחות מרוכבים של קירות חיצוניים תחת עומסי רוח. לשם כך, לוחות מרוכבים המורכבים מיריעה חיצונית של זכוכית מחוסמת מלאה בעובי 3 מ"מ וליבה עשויה תוספתית בעובי 14 מ"מ (מ-PIPG-GF20) יוצרו כמתואר לעיל באמצעות דבק Henkel Loctite AA 3345 (איור 7 משמאל). )). . לאחר מכן מחברים את הלוחות המרוכבים למסגרת תומכת העץ באמצעות ברגים ממתכת הננעצים דרך מסגרת העץ ואל דפנות המבנה הראשי. 30 ברגים הונחו סביב ההיקף של הפאנל (ראה הקו השחור משמאל באיור 7) כדי לשחזר את תנאי התמיכה הליניאריים סביב ההיקף כמה שיותר קרוב.
לאחר מכן נאטמה מסגרת הבדיקה לקיר הבדיקה החיצוני על ידי הפעלת לחץ רוח או יניקה רוח מאחורי הלוח המרוכב (איור 7, למעלה מימין). מערכת מתאם דיגיטלית (DIC) משמשת לרישום נתונים. לשם כך, הזכוכית החיצונית של הפאנל המרוכב מכוסה ביריעה אלסטית דקה המודפסת עליה בדפוס רעש פנינה (איור 7, ימין למטה). DIC משתמש בשתי מצלמות כדי לתעד את המיקום היחסי של כל נקודות המדידה על כל משטח הזכוכית. שתי תמונות בשנייה תועדו ושימשו להערכה. הלחץ בתא, המוקף בלוחות מרוכבים, מוגבר באמצעות מאוורר במרווחים של 1000 Pa עד לערך מרבי של 4000 Pa, כך שכל רמת עומס נשמרת למשך 10 שניות.
המערך הפיזי של הניסוי מיוצג גם על ידי מודל מספרי עם אותם ממדים גיאומטריים. לשם כך, נעשה שימוש בתוכנית המספרית Ansys Mechanical. מבנה הליבה היה רשת גיאומטרית באמצעות אלמנטים משושה SOLID 185 עם צדדים של 20 מ"מ עבור זכוכית ואלמנטים טטרהדרלים SOLID 187 עם צדדים של 3 מ"מ. כדי לפשט את המידול, בשלב זה של המחקר, מניחים כאן שהאקרילט המשמש הוא קשיח ודק באופן אידיאלי, ומוגדר כקשר קשיח בין הזכוכית לחומר הליבה.
הלוחות המרוכבים מקובעים בקו ישר מחוץ לליבה, ולוח הזכוכית נתון לעומס לחץ משטח של 4000 Pa. למרות שאי-לינאריות גיאומטרית נלקחו בחשבון בדוגמנות, נעשה שימוש רק במודלים של חומרים ליניאריים בשלב זה של לִלמוֹד. למרות שזו הנחה תקפה עבור התגובה האלסטית הליניארית של זכוכית (E = 70,000 MPa), על פי גיליון הנתונים של יצרן חומר הליבה הפולימרי (ויסקו אלסטי) [17], הקשיחות הליניארית E = 8245 MPa שימשה ב יש לשקול בקפדנות את הניתוח הנוכחי וייבדק במחקר עתידי.
התוצאות המוצגות כאן מוערכות בעיקר עבור דפורמציות בעומסי רוח מקסימליים של עד 4000 Pa (=ˆ4kN/m2). לשם כך, התמונות שתועדו בשיטת DIC הושוו לתוצאות של סימולציה מספרית (FEM) (איור 8, ימין למטה). בעוד מתח כולל אידיאלי של 0 מ"מ עם תומכים ליניאריים "אידיאליים" באזור הקצה (כלומר, היקף הפאנל) מחושב ב-FEM, יש לקחת בחשבון את התזוזה הפיזית של אזור הקצה בעת הערכת ה-DIC. זאת בשל סובלנות התקנה ועיוות של מסגרת הבדיקה והאטמים שלה. לשם השוואה, התזוזה הממוצעת באזור הקצה (קו לבן מקווקו באיור 8) הופחתה מהתזוזה המקסימלית במרכז הלוח. התזוזות שנקבעו על ידי DIC ו-FEA מושוות בטבלה 1 ומוצגות בצורה גרפית בפינה השמאלית העליונה של איור 8.
ארבע רמות העומס המופעלות של המודל הניסיוני שימשו כנקודות בקרה להערכה והוערכו ב-FEM. התזוזה המרכזית המקסימלית של הצלחת המרוכבת במצב לא טעון נקבעה על ידי מדידות DIC ברמת עומס של 4000 Pa ב-2.18 מ"מ. בעוד שתזוזות FEA בעומסים נמוכים יותר (עד 2000 Pa) עדיין יכולות לשחזר במדויק ערכי ניסוי, לא ניתן לחשב במדויק את העלייה הלא-לינארית במתח בעומסים גבוהים יותר.
עם זאת, מחקרים הראו כי לוחות מרוכבים יכולים לעמוד בעומסי רוח קיצוניים. הקשיחות הגבוהה של הפאנלים הקלים בולטת במיוחד. באמצעות חישובים אנליטיים המבוססים על התיאוריה הליניארית של לוחות קירכהוף [20], עיוות של 2.18 מ"מ ב-4000 Pa תואם לעיוות של לוח זכוכית בודד בעובי 12 מ"מ באותם תנאי גבול. כתוצאה מכך, ניתן להקטין את עובי הזכוכית (אשר בייצור עתיר אנרגיה) בלוח מורכב זה ל-2 x 3 מ"מ זכוכית, וכתוצאה מכך לחסכון בחומר של 50%. הפחתת המשקל הכולל של הפאנל מספקת יתרונות נוספים מבחינת הרכבה. בעוד שפנל מרוכב במשקל 30 ק"ג יכול להיות מטופל בקלות על ידי שני אנשים, לוח זכוכית מסורתי במשקל 50 ק"ג דורש תמיכה טכנית כדי לנוע בבטחה. על מנת לייצג במדויק את ההתנהגות המכנית, יידרשו מודלים מספריים מפורטים יותר במחקרים עתידיים. ניתן לשפר עוד יותר ניתוח אלמנטים סופיים עם מודלים נרחבים יותר של חומרים לא ליניאריים עבור פולימרים ומידול קשרי דבק.
פיתוח ושיפור תהליכים דיגיטליים ממלאים תפקיד מרכזי בשיפור הביצועים הכלכליים והסביבתיים בענף הבנייה. בנוסף, השימוש בזכוכית דקה בחזיתות מבטיח חיסכון באנרגיה ובמשאבים ופותח אפשרויות חדשות לאדריכלות. עם זאת, בשל העובי הקטן של הזכוכית, נדרשים פתרונות עיצוב חדשים לחיזוק הזכוכית בצורה נאותה. לכן, המחקר המוצג במאמר זה בוחן את הרעיון של לוחות מרוכבים העשויים מזכוכית דקה ומבני ליבה פולימריים מחוזקים מודפסים בתלת מימד. כל תהליך הייצור מעיצוב ועד ייצור עבר דיגיטציה ואוטומטית. בעזרת Grasshopper, פותחה זרימת עבודה מקובץ למפעל כדי לאפשר שימוש בלוחות מרוכבים זכוכית דקים בחזיתות עתידיות.
ייצור אב הטיפוס הראשון הדגים את ההיתכנות והאתגרים של ייצור רובוטי. בעוד ייצור תוסף וחיסור כבר משולבים היטב, יישום והרכבה אוטומטיים של דבקים בפרט מציגים אתגרים נוספים שיש לטפל בהם במחקר עתידי. באמצעות בדיקות מכניות מקדימות ומידול מחקר סופי של אלמנטים סופיים, הוכח כי לוחות פיברגלס קלים ודקים מספקים קשיחות כיפוף מספקת עבור יישומי החזית המיועדים להם, אפילו בתנאי עומס רוח קיצוניים. המחקר המתמשך של המחברים יחקור עוד יותר את הפוטנציאל של לוחות מרוכבים זכוכית דקים המיוצרים באופן דיגיטלי עבור יישומי חזית ויוכיח את יעילותם.
המחברים רוצים להודות לכל התומכים הקשורים לעבודת מחקר זו. הודות לתוכנית המימון EFRE SAB הממומנת מכספי האיחוד האירופי בצורת מענק מס' למתן משאבים כספיים לרכישת מניפולטור עם אקסטרודר ומכשיר כרסום. 100537005. בנוסף, AiF-ZIM הוכרה למימון פרויקט המחקר Glasfur3D (מספר מענק ZF4123725WZ9) בשיתוף עם Glaswerkstätten Glas Ahne, אשר סיפקה תמיכה משמעותית בעבודת מחקר זו. לבסוף, מעבדת פרידריך סימנס ומשתפי הפעולה שלה, במיוחד פליקס הגוואלד ועוזר הסטודנט ג'ונתן הולצר, מכירים בתמיכה הטכנית וביישום של הייצור והבדיקות הפיזיות שהיוו את הבסיס למאמר זה.