Nguyên mẫu của tấm mặt tiền bằng kính composite mỏng được chế tạo kỹ thuật số

Việc sử dụng kính mỏng hứa hẹn sẽ đáp ứng được nhiều nhiệm vụ khác nhau trong ngành xây dựng. Ngoài những lợi ích về môi trường từ việc sử dụng tài nguyên hiệu quả hơn, các kiến ​​trúc sư có thể sử dụng kính mỏng để đạt được mức độ tự do thiết kế mới. Dựa trên lý thuyết bánh sandwich, kính mỏng dẻo có thể được kết hợp với lõi polymer tế bào mở được in 3D để tạo thành một loại kính rất cứng và nhẹ. các phần tử tổng hợp. Bài viết này trình bày một nỗ lực khám phá chế tạo kỹ thuật số các tấm mặt tiền bằng kính composite mỏng bằng cách sử dụng robot công nghiệp. Nó giải thích khái niệm số hóa quy trình làm việc từ nhà máy đến nhà máy, bao gồm thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính (CAD), kỹ thuật (CAE) và sản xuất (CAM). Nghiên cứu này chứng minh quy trình thiết kế tham số cho phép tích hợp liền mạch các công cụ phân tích kỹ thuật số.
Ngoài ra, quá trình này còn thể hiện tiềm năng và thách thức của việc sản xuất tấm composite kính mỏng bằng kỹ thuật số. Một số bước sản xuất được thực hiện bởi cánh tay robot công nghiệp, chẳng hạn như sản xuất bồi đắp khổ lớn, gia công bề mặt, quy trình dán và lắp ráp, được giải thích ở đây. Cuối cùng, lần đầu tiên, sự hiểu biết sâu sắc về các tính chất cơ học của tấm composite đã đạt được thông qua các nghiên cứu thực nghiệm và số cũng như đánh giá các tính chất cơ học của tấm composite dưới tải trọng bề mặt. Khái niệm tổng thể về quy trình thiết kế và chế tạo kỹ thuật số, cũng như kết quả của các nghiên cứu thực nghiệm, tạo cơ sở cho việc tích hợp sâu hơn các phương pháp phân tích và định nghĩa hình dạng, cũng như để tiến hành các nghiên cứu cơ học sâu rộng trong các nghiên cứu trong tương lai.
Phương pháp sản xuất kỹ thuật số cho phép chúng tôi cải thiện sản xuất bằng cách chuyển đổi các phương pháp truyền thống và cung cấp các khả năng thiết kế mới [1]. Các phương pháp xây dựng truyền thống có xu hướng lạm dụng vật liệu về mặt chi phí, hình học cơ bản và độ an toàn. Bằng cách chuyển việc xây dựng đến các nhà máy, sử dụng chế tạo sẵn theo mô-đun và robot để thực hiện các phương pháp thiết kế mới, vật liệu có thể được sử dụng hiệu quả mà không ảnh hưởng đến độ an toàn. Sản xuất kỹ thuật số cho phép chúng tôi mở rộng trí tưởng tượng thiết kế của mình để tạo ra các hình dạng hình học đa dạng, hiệu quả và đầy tham vọng hơn. Trong khi quá trình thiết kế và tính toán phần lớn đã được số hóa thì việc sản xuất và lắp ráp phần lớn vẫn được thực hiện thủ công theo cách truyền thống. Để đối phó với các cấu trúc dạng tự do ngày càng phức tạp, các quy trình sản xuất kỹ thuật số ngày càng trở nên quan trọng. Mong muốn tự do và linh hoạt trong thiết kế, đặc biệt là khi nói đến mặt tiền, đang tăng lên đều đặn. Ngoài hiệu ứng hình ảnh, mặt tiền dạng tự do còn cho phép bạn tạo các cấu trúc hiệu quả hơn, chẳng hạn như thông qua việc sử dụng hiệu ứng màng [2]. Ngoài ra, tiềm năng to lớn của quy trình sản xuất kỹ thuật số nằm ở hiệu quả và khả năng tối ưu hóa thiết kế.
Bài viết này khám phá cách sử dụng công nghệ kỹ thuật số để thiết kế và sản xuất tấm mặt tiền bằng composite cải tiến bao gồm lõi polymer được chế tạo phụ gia và các tấm kính mỏng bên ngoài được liên kết. Ngoài những khả năng kiến ​​trúc mới liên quan đến việc sử dụng kính mỏng, các tiêu chí về môi trường và kinh tế cũng là động lực quan trọng để sử dụng ít vật liệu hơn để xây dựng lớp vỏ công trình. Với tình trạng biến đổi khí hậu, khan hiếm tài nguyên và giá năng lượng tăng cao trong tương lai, kính phải được sử dụng thông minh hơn. Việc sử dụng kính mỏng có độ dày dưới 2mm của ngành điện tử giúp mặt tiền nhẹ và giảm tiêu hao nguyên vật liệu.
Do tính linh hoạt cao của kính mỏng, nó mở ra những khả năng mới cho các ứng dụng kiến ​​trúc, đồng thời đặt ra những thách thức kỹ thuật mới [3,4,5,6]. Trong khi việc triển khai các dự án mặt tiền sử dụng kính mỏng hiện nay còn hạn chế thì kính mỏng ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các nghiên cứu kiến ​​trúc và công trình dân dụng. Do khả năng biến dạng đàn hồi cao của kính mỏng nên việc sử dụng nó ở mặt tiền đòi hỏi các giải pháp kết cấu gia cố [7]. Ngoài việc khai thác hiệu ứng màng do hình học cong [8], mô men quán tính cũng có thể được tăng lên nhờ cấu trúc nhiều lớp bao gồm lõi polymer và tấm kính mỏng được dán bên ngoài. Cách tiếp cận này cho thấy nhiều hứa hẹn do sử dụng lõi polycarbonate cứng trong suốt, nhẹ hơn thủy tinh. Ngoài tác động cơ học tích cực, các tiêu chí an toàn bổ sung cũng được đáp ứng [9].
Cách tiếp cận trong nghiên cứu sau đây dựa trên cùng một khái niệm, nhưng sử dụng lõi mờ lỗ rỗng được chế tạo bổ sung. Điều này đảm bảo mức độ tự do hình học và khả năng thiết kế cao hơn, cũng như sự tích hợp các chức năng vật lý của tòa nhà [10]. Những tấm composite như vậy đã được chứng minh là đặc biệt hiệu quả trong thử nghiệm cơ học [11] và hứa hẹn sẽ giảm lượng kính sử dụng tới 80%. Điều này sẽ không chỉ làm giảm các nguồn lực cần thiết mà còn giảm đáng kể trọng lượng của các tấm, từ đó tăng hiệu quả của cấu trúc phụ. Nhưng những hình thức xây dựng mới đòi hỏi những hình thức sản xuất mới. Cấu trúc hiệu quả đòi hỏi quy trình sản xuất hiệu quả. Thiết kế kỹ thuật số góp phần vào sản xuất kỹ thuật số. Bài viết này tiếp tục nghiên cứu trước đó của tác giả bằng cách trình bày một nghiên cứu về quy trình sản xuất kỹ thuật số tấm composite kính mỏng cho robot công nghiệp. Trọng tâm là số hóa quy trình làm việc từ tập tin đến nhà máy của các nguyên mẫu khổ lớn đầu tiên để tăng tính tự động hóa của quy trình sản xuất.
Tấm composite (Hình 1) bao gồm hai lớp kính mỏng được bọc xung quanh lõi polymer AM. Hai phần được kết nối bằng keo. Mục đích của thiết kế này là phân phối tải trọng trên toàn bộ phần một cách hiệu quả nhất có thể. Momen uốn tạo ra ứng suất bình thường ở vỏ. Lực bên gây ra ứng suất cắt ở lõi và các mối nối dính.
Lớp bên ngoài của cấu trúc bánh sandwich được làm bằng thủy tinh mỏng. Về nguyên tắc, thủy tinh silicat soda-vôi sẽ được sử dụng. Với độ dày mục tiêu < 2 mm, quá trình ủ nhiệt đạt đến giới hạn công nghệ hiện tại. Thủy tinh aluminosilicate được tăng cường hóa học có thể được coi là đặc biệt phù hợp nếu yêu cầu độ bền cao hơn do thiết kế (ví dụ: các tấm gấp nguội) hoặc do sử dụng [12]. Chức năng truyền ánh sáng và bảo vệ môi trường sẽ được bổ sung bởi các tính chất cơ học tốt như khả năng chống trầy xước tốt và mô đun Young tương đối cao so với các vật liệu khác được sử dụng trong vật liệu tổng hợp. Do kích thước hạn chế dành cho kính mỏng cường lực hóa học, các tấm kính cường lực hoàn toàn dày 3 mm đã được sử dụng để tạo ra nguyên mẫu quy mô lớn đầu tiên.
Cấu trúc đỡ được coi là một bộ phận được tạo hình của tấm composite. Hầu như tất cả các thuộc tính đều bị ảnh hưởng bởi nó. Nhờ phương pháp sản xuất bồi đắp, nó còn là trung tâm của quy trình sản xuất kỹ thuật số. Nhựa nhiệt dẻo được xử lý bằng cách nung chảy. Điều này cho phép sử dụng một số lượng lớn các polyme khác nhau cho các ứng dụng cụ thể. Cấu trúc liên kết của các phần tử chính có thể được thiết kế với những điểm nhấn khác nhau tùy thuộc vào chức năng của chúng. Với mục đích này, thiết kế hình dạng có thể được chia thành bốn loại thiết kế sau: thiết kế kết cấu, thiết kế chức năng, thiết kế thẩm mỹ và thiết kế sản xuất. Mỗi danh mục có thể có các mục đích khác nhau, điều này có thể dẫn đến các cấu trúc liên kết khác nhau.
Trong quá trình nghiên cứu sơ bộ, một số thiết kế chính đã được kiểm tra tính phù hợp của thiết kế [11]. Từ quan điểm cơ học, bề mặt lõi tối thiểu ba chu kỳ của con quay hồi chuyển đặc biệt hiệu quả. Điều này mang lại khả năng chống uốn cơ học cao với mức tiêu thụ vật liệu tương đối thấp. Ngoài các cấu trúc cơ bản của tế bào được tái tạo ở các vùng bề mặt, cấu trúc liên kết cũng có thể được tạo ra bằng các kỹ thuật tìm hình dạng khác. Việc tạo đường ứng suất là một trong những cách khả thi để tối ưu hóa độ cứng ở trọng lượng thấp nhất có thể [13]. Tuy nhiên, cấu trúc tổ ong, được sử dụng rộng rãi trong kết cấu bánh sandwich, đã được sử dụng làm điểm khởi đầu cho sự phát triển của dây chuyền sản xuất. Hình thức cơ bản này dẫn đến tiến bộ nhanh chóng trong sản xuất, đặc biệt là thông qua việc lập trình đường chạy dao dễ dàng. Hoạt động của nó trong các tấm composite đã được nghiên cứu rộng rãi [14, 15, 16] và hình thức bên ngoài có thể được thay đổi theo nhiều cách thông qua việc tham số hóa và cũng có thể được sử dụng cho các khái niệm tối ưu hóa ban đầu.
Có nhiều loại polyme nhiệt dẻo cần cân nhắc khi lựa chọn polyme, tùy thuộc vào quy trình ép đùn được sử dụng. Các nghiên cứu sơ bộ ban đầu về vật liệu quy mô nhỏ đã làm giảm số lượng polyme được coi là phù hợp để sử dụng ở mặt tiền [11]. Polycarbonate (PC) đầy hứa hẹn nhờ khả năng chịu nhiệt, chống tia cực tím và độ cứng cao. Do cần phải đầu tư thêm về kỹ thuật và tài chính để xử lý polycarbonate, nên polyethylene terephthalate (PETG) đã được biến đổi bằng ethylene glycol đã được sử dụng để sản xuất các nguyên mẫu đầu tiên. Nó đặc biệt dễ dàng xử lý ở nhiệt độ tương đối thấp với ít rủi ro về ứng suất nhiệt và biến dạng thành phần. Nguyên mẫu hiển thị ở đây được làm từ PETG tái chế có tên PIPG. Vật liệu được sấy khô sơ bộ ở 60°C trong ít nhất 4 giờ và được xử lý thành dạng hạt có hàm lượng sợi thủy tinh là 20% [17].
Chất kết dính mang lại sự liên kết chắc chắn giữa cấu trúc lõi polymer và nắp thủy tinh mỏng. Khi các tấm composite chịu tải trọng uốn, các mối nối dính sẽ chịu ứng suất cắt. Vì vậy, chất kết dính cứng hơn được ưa chuộng hơn và có thể làm giảm độ lệch. Chất kết dính trong suốt cũng giúp mang lại chất lượng hình ảnh cao khi dán vào kính trong. Một yếu tố quan trọng khác khi lựa chọn chất kết dính là khả năng sản xuất và tích hợp vào các quy trình sản xuất tự động. Ở đây, chất kết dính đóng rắn bằng tia cực tím với thời gian đóng rắn linh hoạt có thể đơn giản hóa đáng kể việc định vị các lớp phủ. Dựa trên các thử nghiệm sơ bộ, một loạt chất kết dính đã được thử nghiệm về tính phù hợp của chúng đối với các tấm composite thủy tinh mỏng [18]. Loctite® AA 3345™ acrylate chữa được bằng tia cực tím [19] được chứng minh là đặc biệt phù hợp cho quy trình sau.
Để tận dụng khả năng sản xuất bồi đắp và tính linh hoạt của kính mỏng, toàn bộ quy trình được thiết kế để hoạt động bằng kỹ thuật số và tham số. Grasshopper được dùng làm giao diện lập trình trực quan, tránh giao diện giữa các chương trình khác nhau. Tất cả các ngành (kỹ thuật, kỹ thuật và sản xuất) sẽ hỗ trợ và bổ sung cho nhau trong một tệp với phản hồi trực tiếp từ người vận hành. Ở giai đoạn nghiên cứu này, quy trình làm việc vẫn đang được phát triển và tuân theo mẫu được hiển thị trong Hình 2. Các mục tiêu khác nhau có thể được nhóm thành các danh mục trong các chuyên ngành.
Mặc dù việc sản xuất các tấm bánh sandwich trong bài viết này đã được tự động hóa với thiết kế lấy người dùng làm trung tâm và quá trình chuẩn bị chế tạo, việc tích hợp và xác nhận các công cụ kỹ thuật riêng lẻ vẫn chưa được thực hiện đầy đủ. Dựa trên thiết kế tham số của hình học mặt tiền, có thể thiết kế lớp vỏ bên ngoài của tòa nhà ở cấp độ vĩ mô (mặt tiền) và meso (tấm mặt tiền). Ở bước thứ hai, vòng phản hồi kỹ thuật nhằm mục đích đánh giá tính an toàn và phù hợp cũng như khả năng tồn tại của việc chế tạo tường rèm. Cuối cùng, các tấm thu được đã sẵn sàng để sản xuất kỹ thuật số. Chương trình xử lý cấu trúc lõi đã phát triển ở dạng mã G mà máy có thể đọc được và chuẩn bị cấu trúc đó cho quá trình sản xuất bồi đắp, xử lý hậu kỳ trừ và liên kết thủy tinh.
Quá trình thiết kế được xem xét ở hai cấp độ khác nhau. Ngoài thực tế là hình dạng vĩ mô của mặt tiền ảnh hưởng đến hình dạng của từng tấm composite, cấu trúc liên kết của lõi cũng có thể được thiết kế ở cấp độ trung bình. Khi sử dụng mô hình mặt tiền tham số, hình dạng và diện mạo có thể bị ảnh hưởng bởi các phần mặt tiền mẫu bằng cách sử dụng các thanh trượt được hiển thị trong Hình 3. Do đó, tổng bề mặt bao gồm một bề mặt có thể mở rộng do người dùng xác định, có thể bị biến dạng bằng cách sử dụng các bộ thu hút điểm và được sửa đổi bởi xác định mức độ biến dạng tối thiểu và tối đa. Điều này mang lại mức độ linh hoạt cao trong việc thiết kế vỏ bọc tòa nhà. Tuy nhiên, mức độ tự do này bị giới hạn bởi các ràng buộc về kỹ thuật và sản xuất, sau đó được thực hiện bởi các thuật toán trong phần kỹ thuật.
Ngoài chiều cao và chiều rộng của toàn bộ mặt tiền, việc phân chia các tấm mặt tiền cũng được xác định. Đối với các tấm mặt tiền riêng lẻ, chúng có thể được xác định chính xác hơn ở cấp độ trung bình. Điều này ảnh hưởng đến cấu trúc liên kết của chính cấu trúc lõi cũng như độ dày của kính. Hai biến này, cũng như kích thước của bảng điều khiển, có mối quan hệ quan trọng với mô hình kỹ thuật cơ khí. Việc thiết kế và phát triển ở cấp độ vĩ mô và trung bình có thể được thực hiện theo hướng tối ưu hóa ở bốn loại cấu trúc, chức năng, thẩm mỹ và thiết kế sản phẩm. Người dùng có thể phát triển giao diện tổng thể của lớp vỏ tòa nhà bằng cách ưu tiên các khu vực này.
Dự án được hỗ trợ bởi bộ phận kỹ thuật bằng cách sử dụng vòng phản hồi. Để đạt được mục tiêu này, các mục tiêu và điều kiện biên được xác định trong danh mục tối ưu hóa được hiển thị trong Hình 2. Chúng cung cấp các hành lang khả thi về mặt kỹ thuật, vững chắc về mặt vật lý và an toàn để xây dựng từ quan điểm kỹ thuật, điều này có tác động đáng kể đến thiết kế. Đây là điểm khởi đầu cho nhiều công cụ khác nhau có thể được tích hợp trực tiếp vào Grasshopper. Trong các nghiên cứu sâu hơn, các tính chất cơ học có thể được đánh giá bằng Phân tích phần tử hữu hạn (FEM) hoặc thậm chí các phép tính phân tích.
Ngoài ra, các nghiên cứu về bức xạ mặt trời, phân tích tầm nhìn và mô hình thời gian có ánh nắng mặt trời có thể đánh giá tác động của các tấm composite đối với vật lý của tòa nhà. Điều quan trọng là không giới hạn quá mức tốc độ, hiệu quả và tính linh hoạt của quá trình thiết kế. Do đó, các kết quả thu được ở đây được thiết kế để cung cấp hướng dẫn và hỗ trợ bổ sung cho quá trình thiết kế và không thay thế cho việc phân tích và biện minh chi tiết ở cuối quá trình thiết kế. Kế hoạch chiến lược này đặt nền tảng cho nghiên cứu phân loại sâu hơn để đạt được kết quả đã được chứng minh. Ví dụ, vẫn chưa có nhiều thông tin về hoạt động cơ học của tấm composite dưới các điều kiện chịu tải và hỗ trợ khác nhau.
Sau khi thiết kế và kỹ thuật hoàn tất, mô hình đã sẵn sàng để sản xuất kỹ thuật số. Quá trình sản xuất được chia thành bốn giai đoạn phụ (Hình 4). Đầu tiên, cấu trúc chính được chế tạo bổ sung bằng cách sử dụng cơ sở in 3D robot quy mô lớn. Bề mặt sau đó được nghiền bằng hệ thống robot tương tự để cải thiện chất lượng bề mặt cần thiết để liên kết tốt. Sau khi xay, chất kết dính được bôi dọc theo cấu trúc lõi bằng hệ thống định lượng được thiết kế đặc biệt gắn trên cùng một hệ thống robot được sử dụng cho quá trình in và phay. Cuối cùng, kính được lắp đặt và trải trước khi xử lý mối nối liên kết bằng tia cực tím.
Đối với sản xuất bồi đắp, cấu trúc liên kết được xác định của cấu trúc cơ bản phải được dịch sang ngôn ngữ máy CNC (GCode). Để có kết quả đồng đều và chất lượng cao, mục tiêu là in từng lớp mà không làm rơi vòi phun của máy đùn. Điều này ngăn chặn áp lực quá mức không mong muốn khi bắt đầu và kết thúc chuyển động. Do đó, một tập lệnh tạo quỹ đạo liên tục đã được viết cho mẫu ô đang được sử dụng. Điều này sẽ tạo ra một đường đa tuyến tham số liên tục có cùng điểm bắt đầu và điểm kết thúc, điều chỉnh phù hợp với kích thước bảng điều khiển, số lượng và kích thước của tổ ong đã chọn theo thiết kế. Ngoài ra, các thông số như chiều rộng đường và chiều cao đường có thể được chỉ định trước khi đặt đường để đạt được chiều cao mong muốn của cấu trúc chính. Bước tiếp theo trong tập lệnh là viết các lệnh G-code.
Điều này được thực hiện bằng cách ghi lại tọa độ của từng điểm trên dây chuyền cùng với thông tin máy bổ sung, chẳng hạn như các trục liên quan khác để định vị và điều khiển âm lượng đùn. Mã G thu được sau đó có thể được chuyển đến máy sản xuất. Trong ví dụ này, cánh tay robot công nghiệp Comau NJ165 trên đường ray tuyến tính được sử dụng để điều khiển máy đùn CEAD E25 theo mã G (Hình 5). Nguyên mẫu đầu tiên sử dụng PETG hậu công nghiệp với hàm lượng sợi thủy tinh là 20%. Về mặt thử nghiệm cơ học, kích thước mục tiêu gần bằng kích thước của ngành xây dựng nên kích thước của phần tử chính là 1983 × 876 mm với các tế bào tổ ong 6 × 4. cao 6 mm và 2 mm.
Các thử nghiệm sơ bộ đã chỉ ra rằng có sự khác biệt về độ bám dính giữa chất kết dính và nhựa in 3D tùy thuộc vào đặc tính bề mặt của nó. Để thực hiện điều này, các mẫu thử chế tạo phụ gia được dán hoặc ép vào kính và chịu lực kéo hoặc cắt. Trong quá trình xử lý cơ học sơ bộ bề mặt polymer bằng phương pháp phay, độ bền tăng lên đáng kể (Hình 6). Ngoài ra, nó còn cải thiện độ phẳng của lõi và ngăn ngừa các khuyết tật do đùn quá mức. Acrylate LOCTITE® AA 3345™ [19] chữa được bằng tia cực tím được sử dụng ở đây rất nhạy cảm với các điều kiện xử lý.
Điều này thường dẫn đến độ lệch chuẩn cao hơn cho các mẫu thử liên kết. Sau khi sản xuất bồi đắp, cấu trúc lõi được phay trên máy phay định hình. Mã G cần thiết cho thao tác này được tạo tự động từ các đường chạy dao đã được tạo cho quy trình in 3D. Cấu trúc lõi cần được in cao hơn một chút so với chiều cao lõi dự định. Trong ví dụ này, cấu trúc lõi dày 18 mm đã giảm xuống còn 14 mm.
Phần này của quy trình sản xuất là một thách thức lớn đối với việc tự động hóa hoàn toàn. Việc sử dụng chất kết dính đặt ra yêu cầu cao về độ chính xác và độ chính xác của máy móc. Hệ thống định lượng khí nén được sử dụng để bôi keo dọc theo cấu trúc lõi. Nó được robot hướng dẫn dọc theo bề mặt phay theo đường chạy dao đã xác định. Hóa ra việc thay thế đầu phân phối truyền thống bằng bàn chải là đặc biệt thuận lợi. Điều này cho phép chất kết dính có độ nhớt thấp được phân phối đồng đều theo thể tích. Lượng này được xác định bởi áp suất trong hệ thống và tốc độ của robot. Để có độ chính xác cao hơn và chất lượng liên kết cao hơn, tốc độ di chuyển thấp từ 200 đến 800 mm/phút được ưu tiên.
Acrylate có độ nhớt trung bình 1500 mPa*s được bôi lên thành lõi polymer rộng 6 mm bằng cách sử dụng chổi định lượng có đường kính trong 0,84 mm và chiều rộng chổi 5 ở áp suất tác dụng từ 0,3 đến 0,6 mbar. mm. Chất kết dính sau đó được trải trên bề mặt của chất nền và tạo thành một lớp dày 1 mm do sức căng bề mặt. Việc xác định chính xác độ dày chất kết dính vẫn chưa thể được tự động hóa. Thời gian của quá trình là một tiêu chí quan trọng để lựa chọn chất kết dính. Cấu trúc lõi được sản xuất ở đây có chiều dài đường ray là 26 m và do đó thời gian thi công từ 30 đến 60 phút.
Sau khi bôi keo, lắp cửa sổ kính hai lớp vào đúng vị trí. Do độ dày thấp của vật liệu, kính mỏng vốn đã bị biến dạng mạnh do trọng lượng của chính nó và do đó phải được đặt càng đều càng tốt. Đối với điều này, cốc hút thủy tinh khí nén với cốc hút phân tán theo thời gian được sử dụng. Nó được đặt trên bộ phận bằng cần cẩu và trong tương lai có thể được đặt trực tiếp bằng robot. Tấm kính được đặt song song với bề mặt lõi trên lớp dính. Do trọng lượng nhẹ hơn nên một tấm kính bổ sung (dày 4 đến 6 mm) sẽ tăng áp lực lên nó.
Kết quả sẽ là làm ướt hoàn toàn bề mặt kính dọc theo cấu trúc lõi, như có thể được đánh giá từ lần kiểm tra trực quan ban đầu về sự khác biệt màu sắc có thể nhìn thấy được. Quá trình ứng dụng cũng có thể có tác động đáng kể đến chất lượng của mối nối liên kết cuối cùng. Sau khi đã dán, các tấm kính không được di chuyển vì điều này sẽ dẫn đến vết keo dính có thể nhìn thấy được trên kính và gây ra khuyết tật trên lớp keo thực tế. Cuối cùng, chất kết dính được xử lý bằng bức xạ UV ở bước sóng 365 nm. Để làm điều này, một đèn UV có mật độ công suất 6 mW/cm2 được chiếu dần dần lên toàn bộ bề mặt dính trong 60 giây.
Khái niệm về tấm composite kính mỏng nhẹ và có thể tùy chỉnh với lõi polymer được chế tạo bổ sung được thảo luận ở đây nhằm mục đích sử dụng cho các mặt tiền trong tương lai. Do đó, tấm composite phải tuân thủ các tiêu chuẩn hiện hành và đáp ứng các yêu cầu về trạng thái giới hạn sử dụng (SLS), trạng thái giới hạn cường độ cuối cùng (ULS) và các yêu cầu về an toàn. Vì vậy, tấm composite phải an toàn, chắc chắn và đủ cứng để chịu được tải trọng (chẳng hạn như tải trọng bề mặt) mà không bị gãy hoặc biến dạng quá mức. Để nghiên cứu phản ứng cơ học của các tấm composite thủy tinh mỏng được chế tạo trước đó (như được mô tả trong phần Thử nghiệm cơ học), chúng phải chịu thử nghiệm tải trọng gió như được mô tả trong tiểu mục tiếp theo.
Mục đích của thử nghiệm vật lý là nghiên cứu các tính chất cơ học của tấm composite của tường ngoài dưới tải trọng gió. Để đạt được mục đích này, các tấm composite bao gồm tấm ngoài bằng kính cường lực dày 3 mm và lõi được chế tạo bổ sung dày 14 mm (từ PIPG-GF20) đã được chế tạo như mô tả ở trên bằng cách sử dụng keo Henkel Loctite AA 3345 (Hình 7 bên trái). )). . Sau đó, các tấm composite được gắn vào khung đỡ gỗ bằng vít kim loại được dẫn động xuyên qua khung gỗ và vào các cạnh của cấu trúc chính. 30 con vít được đặt xung quanh chu vi của tấm (xem đường màu đen ở bên trái trong Hình 7) để tái tạo các điều kiện hỗ trợ tuyến tính xung quanh chu vi càng sát càng tốt.
Sau đó, khung thử nghiệm được bịt kín vào tường thử nghiệm bên ngoài bằng cách tạo áp lực gió hoặc lực hút gió phía sau tấm composite (Hình 7, trên cùng bên phải). Một hệ thống tương quan kỹ thuật số (DIC) được sử dụng để ghi lại dữ liệu. Để làm điều này, kính bên ngoài của tấm composite được phủ một tấm đàn hồi mỏng có in hoa văn nhiễu ngọc trai trên đó (Hình 7, phía dưới bên phải). DIC sử dụng 2 camera để ghi lại vị trí tương đối của tất cả các điểm đo trên toàn bộ bề mặt kính. Hai hình ảnh mỗi giây được ghi lại và sử dụng để đánh giá. Áp suất trong buồng, được bao quanh bởi các tấm composite, được tăng lên bằng quạt với mức tăng 1000 Pa lên đến giá trị tối đa là 4000 Pa, sao cho mỗi mức tải được duy trì trong 10 giây.
Thiết lập vật lý của thí nghiệm cũng được thể hiện bằng một mô hình số có cùng kích thước hình học. Đối với điều này, chương trình số ANSYS Mechanical được sử dụng. Cấu trúc lõi là lưới hình học sử dụng các phần tử lục giác SOLID 185 có cạnh 20 mm cho kính và các phần tử tứ diện SOLID 187 có cạnh 3 mm. Để đơn giản hóa mô hình, ở giai đoạn nghiên cứu này, người ta giả định rằng acrylate được sử dụng là cứng và mỏng lý tưởng, đồng thời được định nghĩa là liên kết cứng giữa kính và vật liệu lõi.
Các tấm composite được cố định theo đường thẳng bên ngoài lõi và tấm kính chịu tải trọng áp suất bề mặt là 4000 Pa. Mặc dù các yếu tố phi tuyến hình học đã được tính đến trong mô hình, nhưng chỉ các mô hình vật liệu tuyến tính mới được sử dụng ở giai đoạn này của quá trình nghiên cứu. học. Mặc dù đây là một giả định hợp lệ cho phản ứng đàn hồi tuyến tính của thủy tinh (E = 70.000 MPa), nhưng theo bảng dữ liệu của nhà sản xuất vật liệu lõi polyme (đàn hồi nhớt) [17], độ cứng tuyến tính E = 8245 MPa đã được sử dụng trong phân tích hiện tại cần được xem xét nghiêm ngặt và sẽ được nghiên cứu trong nghiên cứu trong tương lai.
Các kết quả được trình bày ở đây chủ yếu được đánh giá về biến dạng khi tải trọng gió tối đa lên tới 4000 Pa (=ˆ4kN/m2). Đối với điều này, các hình ảnh được ghi lại bằng phương pháp DIC được so sánh với kết quả mô phỏng số (FEM) (Hình 8, phía dưới bên phải). Trong khi tổng biến dạng lý tưởng là 0 mm với các hỗ trợ tuyến tính “lý tưởng” ở vùng cạnh (tức là chu vi bảng điều khiển) được tính toán trong FEM, thì sự dịch chuyển vật lý của vùng cạnh phải được tính đến khi đánh giá DIC. Điều này là do dung sai lắp đặt và biến dạng của khung thử nghiệm và các vòng đệm của nó. Để so sánh, độ dịch chuyển trung bình ở vùng cạnh (đường trắng nét đứt trong Hình 8) đã được trừ vào độ dịch chuyển tối đa ở giữa bảng điều khiển. Các chuyển vị được xác định bởi DIC và FEA được so sánh trong Bảng 1 và được hiển thị bằng đồ họa ở góc trên bên trái của Hình 8.
Bốn mức tải áp dụng của mô hình thử nghiệm được sử dụng làm điểm kiểm soát để đánh giá và đánh giá trong FEM. Chuyển vị trung tâm tối đa của tấm composite ở trạng thái không tải được xác định bằng phép đo DIC ở mức tải 4000 Pa ở 2,18 mm. Trong khi các chuyển vị FEA ở tải thấp hơn (lên tới 2000 Pa) vẫn có thể tái tạo chính xác các giá trị thử nghiệm, thì không thể tính toán chính xác mức tăng biến dạng phi tuyến tính ở tải cao hơn.
Tuy nhiên, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng tấm composite có thể chịu được tải trọng gió cực lớn. Độ cứng cao của các tấm nhẹ đặc biệt nổi bật. Sử dụng tính toán phân tích dựa trên lý thuyết tuyến tính của tấm Kirchhoff [20], biến dạng 2,18 mm ở 4000 Pa tương ứng với biến dạng của một tấm kính đơn dày 12 mm trong cùng điều kiện biên. Nhờ đó, độ dày của kính (tốn nhiều năng lượng trong sản xuất) trong tấm composite này có thể giảm xuống còn kính 2 x 3 mm, giúp tiết kiệm 50% vật liệu. Việc giảm trọng lượng tổng thể của bảng điều khiển mang lại những lợi ích bổ sung về mặt lắp ráp. Trong khi tấm composite nặng 30 kg có thể dễ dàng được xử lý bởi hai người thì tấm kính 50 kg truyền thống cần được hỗ trợ kỹ thuật để di chuyển an toàn. Để thể hiện chính xác hành vi cơ học, các mô hình số chi tiết hơn sẽ được yêu cầu trong các nghiên cứu trong tương lai. Phân tích phần tử hữu hạn có thể được tăng cường hơn nữa với các mô hình vật liệu phi tuyến mở rộng hơn cho polyme và mô hình liên kết kết dính.
Sự phát triển và cải tiến các quy trình kỹ thuật số đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu quả kinh tế và môi trường trong ngành xây dựng. Ngoài ra, việc sử dụng kính mỏng ở mặt tiền hứa hẹn tiết kiệm năng lượng, tài nguyên và mở ra những khả năng mới cho kiến ​​trúc. Tuy nhiên, do độ dày của kính nhỏ nên cần có giải pháp thiết kế mới để gia cố kính một cách thỏa đáng. Do đó, nghiên cứu được trình bày trong bài viết này khám phá khái niệm về tấm composite được làm từ kính mỏng và các cấu trúc lõi polymer in 3D được gia cố bằng ngoại quan. Toàn bộ quy trình sản xuất từ ​​thiết kế đến sản xuất đã được số hóa và tự động hóa. Với sự trợ giúp của Grasshopper, quy trình làm việc từ tập tin đến nhà máy đã được phát triển để cho phép sử dụng các tấm composite kính mỏng ở mặt tiền trong tương lai.
Việc sản xuất nguyên mẫu đầu tiên đã chứng minh tính khả thi và thách thức của việc sản xuất robot. Mặc dù quy trình sản xuất cộng và trừ đã được tích hợp tốt, nhưng việc ứng dụng và lắp ráp chất kết dính hoàn toàn tự động nói riêng đặt ra những thách thức bổ sung cần giải quyết trong nghiên cứu trong tương lai. Thông qua thử nghiệm cơ học sơ bộ và mô hình nghiên cứu phần tử hữu hạn liên quan, người ta đã chứng minh rằng các tấm sợi thủy tinh mỏng và nhẹ cung cấp đủ độ cứng uốn cho các ứng dụng mặt tiền dự kiến, ngay cả trong điều kiện tải trọng gió cực lớn. Nghiên cứu đang diễn ra của các tác giả sẽ khám phá thêm tiềm năng của các tấm composite kính mỏng được chế tạo kỹ thuật số cho các ứng dụng mặt tiền và chứng minh tính hiệu quả của chúng.
Các tác giả xin gửi lời cảm ơn tới tất cả những người ủng hộ liên quan đến công việc nghiên cứu này. Nhờ chương trình tài trợ của EFRE SAB được tài trợ từ quỹ của Liên minh Châu Âu dưới hình thức cấp số để cung cấp nguồn tài chính cho việc mua một máy thao tác với máy đùn và thiết bị phay. 100537005. Ngoài ra, AiF-ZIM đã được công nhận tài trợ cho dự án nghiên cứu Glasfur3D (số cấp ZF4123725WZ9) với sự cộng tác của Glaswerkstätten Glas Ahne, dự án đã cung cấp hỗ trợ đáng kể cho công việc nghiên cứu này. Cuối cùng, Phòng thí nghiệm Friedrich Siemens và các cộng tác viên, đặc biệt là Felix Hegewald và trợ lý sinh viên Jonathan Holzerr, ghi nhận sự hỗ trợ kỹ thuật và triển khai quá trình chế tạo cũng như thử nghiệm vật lý làm cơ sở cho bài viết này.