Notkun þunns glers lofar að uppfylla ýmis verkefni í byggingariðnaði. Til viðbótar við umhverfisávinninginn af skilvirkari nýtingu auðlinda geta arkitektar notað þunnt gler til að ná nýjum gráðum af hönnunarfrelsi. Byggt á samlokukenningunni er hægt að sameina sveigjanlegt þunnt gler með þrívíddarprentuðum fjölliðakjarna með opnum frumum til að mynda mjög stífan og léttan
samsettir þættir. Þessi grein sýnir könnunartilraun til stafrænnar framleiðslu á þunnum glersamsettum framhliðarplötum með því að nota iðnaðarvélmenni. Það útskýrir hugmyndina um að stafræna verkflæði frá verksmiðju til verksmiðju, þar á meðal tölvustýrða hönnun (CAD), verkfræði (CAE) og framleiðslu (CAM). Rannsóknin sýnir breytilegt hönnunarferli sem gerir óaðfinnanlega samþættingu stafrænna greiningartækja.
Að auki sýnir þetta ferli möguleika og áskoranir við stafræna framleiðslu á þunnum samsettum glerplötum. Hér er útskýrt sumum framleiðsluþrepunum sem framkvæmt er af iðnaðarvélmennaarmi, svo sem aukefnaframleiðsla á stóru sniði, yfirborðsvinnsla, límingar- og samsetningarferli. Að lokum, í fyrsta skipti, hefur náðst djúpur skilningur á vélrænni eiginleikum samsettra plötur með tilrauna- og tölulegum rannsóknum og mati á vélrænni eiginleikum samsettra plötur undir yfirborðshleðslu. Heildarhugmyndin um stafræna hönnun og tilbúning vinnuflæðis, sem og niðurstöður tilraunarannsókna, leggja grunn að frekari samþættingu formskilgreiningar og greiningaraðferða, sem og að framkvæma umfangsmiklar vélrænar rannsóknir í framtíðarrannsóknum.
Stafrænar framleiðsluaðferðir gera okkur kleift að bæta framleiðslu með því að umbreyta hefðbundnum aðferðum og bjóða upp á nýja hönnunarmöguleika [1]. Hefðbundnar byggingaraðferðir hafa tilhneigingu til að ofnota efni hvað varðar kostnað, grunn rúmfræði og öryggi. Með því að færa byggingu til verksmiðja, nota mát forsmíði og vélfærafræði til að innleiða nýjar hönnunaraðferðir, er hægt að nota efni á skilvirkan hátt án þess að skerða öryggi. Stafræn framleiðsla gerir okkur kleift að auka hönnunarímyndunarafl okkar til að búa til fjölbreyttari, skilvirkari og metnaðarfyllri rúmfræðileg form. Þó að hönnun og útreikningsferli hafi að mestu verið stafrænt, er framleiðsla og samsetning enn að mestu unnin með höndunum á hefðbundinn hátt. Til að takast á við sífellt flóknari mannvirki í frjálsu formi verða stafrænar framleiðsluferli sífellt mikilvægari. Þráin eftir frelsi og sveigjanleika í hönnun, sérstaklega þegar kemur að framhliðum, fer stöðugt vaxandi. Til viðbótar við sjónræn áhrif, gera framhliðar í frjálsu formi þér einnig kleift að búa til skilvirkari mannvirki, til dæmis með því að nota himnuáhrif [2]. Auk þess liggja miklir möguleikar stafrænna framleiðsluferla í skilvirkni þeirra og möguleika á hagræðingu hönnunar.
Þessi grein kannar hvernig hægt er að nota stafræna tækni til að hanna og framleiða nýstárlega samsetta framhliðarplötu sem samanstendur af samsettum fjölliða kjarna og tengdum þunnum ytri glerplötum. Auk hinna nýju byggingarmöguleika sem tengjast notkun þunns glers, hafa umhverfis- og efnahagsviðmið einnig verið mikilvæg hvatning til að nota minna efni til að smíða umslagið. Með loftslagsbreytingum, auðlindaskorti og hækkandi orkuverði í framtíðinni verður að nota gler snjallari. Notkun á þunnu gleri sem er minna en 2 mm þykkt frá rafeindaiðnaði gerir framhliðina létta og dregur úr hráefnisnotkun.
Vegna mikils sveigjanleika þunns glers opnar það nýja möguleika fyrir byggingarlistar og skapar á sama tíma nýjar verkfræðilegar áskoranir [3,4,5,6]. Þó núverandi framkvæmd framhliðarverkefna með þunnu gleri sé takmörkuð, er þunnt gler í auknum mæli notað í byggingarverkfræði og byggingarfræði. Vegna mikillar getu þunns glers til teygjanlegrar aflögunar, krefst notkun þess í framhliðum styrktrar byggingarlausna [7]. Auk þess að nýta himnuáhrifin vegna sveigðrar rúmfræði [8] er einnig hægt að auka tregðu augnablikið með fjöllaga uppbyggingu sem samanstendur af fjölliða kjarna og límdu þunnri ytri glerplötu. Þessi nálgun hefur sýnt loforð vegna notkunar á harðri gagnsæjum pólýkarbónatkjarna, sem er minna þéttur en gler. Til viðbótar við jákvæðu vélrænu verkunina var viðbótaröryggisviðmiðunum uppfyllt [9].
Nálgunin í eftirfarandi rannsókn byggir á sömu hugmyndum, en notast við aukið framleiddan opinn-hola hálfgagnsæran kjarna. Þetta tryggir meira rúmfræðilegt frelsi og hönnunarmöguleika, sem og samþættingu líkamlegra aðgerða byggingarinnar [10]. Slíkar samsettar plötur hafa reynst sérstaklega árangursríkar við vélrænni prófun [11] og lofa að minnka glermagnið um allt að 80%. Þetta mun ekki aðeins draga úr fjármagni sem þarf heldur einnig verulega draga úr þyngd spjaldanna og auka þannig skilvirkni undirbyggingarinnar. En ný byggingarform krefjast nýrra framleiðsluforma. Skilvirk mannvirki krefjast skilvirkra framleiðsluferla. Stafræn hönnun stuðlar að stafrænni framleiðslu. Þessi grein heldur áfram fyrri rannsóknum höfundar með því að kynna rannsókn á stafrænu framleiðsluferli þunnra samsettra glerplötur fyrir iðnaðarvélmenni. Áherslan er á að stafræna verkflæði skráa til verksmiðju fyrstu stórgerða frumgerðanna til að auka sjálfvirkni framleiðsluferlisins.
Samsett spjaldið (Mynd 1) samanstendur af tveimur þunnum gleryfirlögum vafið utan um AM fjölliða kjarna. Hlutarnir tveir eru tengdir með lími. Tilgangur þessarar hönnunar er að dreifa álaginu yfir allan hlutann á eins skilvirkan hátt og hægt er. Beygjustundir skapa eðlilegt álag í skelinni. Hliðarkraftar valda skurðspennu í kjarna og límsamskeytum.
Ytra lag samlokubyggingarinnar er úr þunnu gleri. Í grundvallaratriðum verður notað gos-lime silíkatgler. Með markþykkt < 2 mm nær varmahitunarferlið núverandi tæknimörkum. Efnafræðilega styrkt álsílíkatgler getur talist sérlega hentugt ef meiri styrkleika er krafist vegna hönnunar (td kaldbrotna plötur) eða notkunar [12]. Ljósflutnings- og umhverfisverndaraðgerðirnar verða bættar upp með góðum vélrænum eiginleikum eins og góðri rispuþol og tiltölulega háum Young's stuðuli samanborið við önnur efni sem notuð eru í samsett efni. Vegna takmarkaðrar stærðar í boði fyrir efnafræðilega hert þunnt gler, voru spjöld úr fullhertu 3 mm þykku gos-lime gleri notuð til að búa til fyrstu stórfelldu frumgerðina.
Stuðningsbyggingin er talin mótaður hluti af samsettu spjaldinu. Næstum allir eiginleikar verða fyrir áhrifum af því. Þökk sé aukefnaframleiðsluaðferðinni er það einnig miðpunktur stafræns framleiðsluferlis. Hitaplast er unnið með samruna. Þetta gerir það að verkum að hægt er að nota fjölda mismunandi fjölliða til ákveðinna nota. Hægt er að hanna staðfræði meginþátta með mismunandi áherslum eftir virkni þeirra. Í þessu skyni má skipta formhönnun í eftirfarandi fjóra hönnunarflokka: burðarvirkishönnun, hagnýt hönnun, fagurfræðileg hönnun og framleiðsluhönnun. Hver flokkur getur haft mismunandi tilgang, sem getur leitt til mismunandi staðfræði.
Í forathuguninni voru nokkrar af helstu hönnununum prófaðar með tilliti til hæfis hönnunar þeirra [11]. Frá vélrænu sjónarhorni er þriggja tímabila lágmarkskjarnayfirborð gyroscope sérstaklega áhrifaríkt. Þetta veitir mikla vélrænni mótstöðu gegn beygju við tiltölulega litla efnisnotkun. Til viðbótar við frumu grunngerðina sem endurskapað er á yfirborðssvæðunum, er hægt að búa til staðfræði með annarri formleitaraðferðum. Álagslínumyndun er ein mögulega leiðin til að hámarka stífleika við lægstu mögulegu þyngd [13]. Hins vegar hefur honeycomb uppbyggingin, sem er mikið notuð í samlokubyggingum, verið notuð sem upphafspunktur fyrir þróun framleiðslulínunnar. Þetta grunnform leiðir til örra framfara í framleiðslu, sérstaklega með auðveldri forritun verkfærabrauta. Hegðun þess í samsettum spjöldum hefur verið mikið rannsökuð [14, 15, 16] og útlitinu er hægt að breyta á margan hátt með breytustillingu og einnig er hægt að nota það fyrir upphafleg hagræðingarhugtök.
Það eru margar hitaþjálu fjölliður sem þarf að hafa í huga þegar fjölliður er valinn, allt eftir útpressunarferlinu sem notað er. Fyrstu forrannsóknir á litlum efnum hafa fækkað fjölliðum sem taldar eru hentugar til notkunar í framhliðum [11]. Pólýkarbónat (PC) lofar góðu vegna hitaþols, UV viðnáms og mikillar stífni. Vegna viðbótar tæknilegrar og fjárhagslegrar fjárfestingar sem þarf til að vinna pólýkarbónat, var etýlen glýkól breytt pólýetýlen tereftalat (PETG) notað til að framleiða fyrstu frumgerðina. Það er sérstaklega auðvelt að vinna það við tiltölulega lágt hitastig með lítilli hættu á hitaálagi og aflögun íhluta. Frumgerðin sem sýnd er hér er gerð úr endurunnum PETG sem kallast PIPG. Efnið var forþurrkað við 60°C í að minnsta kosti 4 klst og unnið í korn með glertrefjainnihaldi upp á 20% [17].
Límið veitir sterk tengsl milli fjölliða kjarnabyggingarinnar og þunnt glerloksins. Þegar samsettar plötur verða fyrir beygjuálagi verða límsamskeytin fyrir skurðálagi. Þess vegna er harðara lím ákjósanlegt og getur dregið úr sveigju. Tær lím hjálpa einnig til við að veita há sjónræn gæði þegar það er tengt við glært gler. Annar mikilvægur þáttur þegar þú velur lím er framleiðni og samþætting í sjálfvirkum framleiðsluferlum. Hér geta UV-herðandi lím með sveigjanlegum herðingartíma einfaldað staðsetningu hlífðarlaganna til muna. Byggt á bráðabirgðaprófunum var röð af límum prófuð með tilliti til hæfis þeirra fyrir þunnar samsettar glerplötur [18]. Loctite® AA 3345™ UV-hertanlegt akrýlat [19] reyndist sérstaklega hentugur fyrir eftirfarandi ferli.
Til að nýta möguleika aukefnaframleiðslu og sveigjanleika þunns glers var allt ferlið hannað til að vinna stafrænt og parametrical. Grasshopper er notað sem sjónrænt forritunarviðmót og forðast viðmót milli mismunandi forrita. Allar greinar (verkfræði, verkfræði og framleiðsla) munu styðja og bæta hver aðra upp í einni skrá með beinni endurgjöf frá rekstraraðilanum. Á þessu stigi rannsóknarinnar er vinnuflæðið enn í þróun og fylgir því mynstri sem sýnt er á mynd 2. Hægt er að flokka mismunandi markmið í flokka innan fræðigreina.
Þrátt fyrir að framleiðsla á samlokuplötum í þessari grein hafi verið sjálfvirk með notendamiðaðri hönnun og framleiðsluundirbúningi, hefur samþætting og löggilding einstakra verkfræðiverkfæra ekki verið að fullu að veruleika. Byggt á breytilegri hönnun framhliðarrúmfræðinnar er mögulegt að hanna ytri skel byggingarinnar á makróstigi (framhlið) og mesó (framhliðarplötur). Í öðru skrefi miðar verkfræðiviðbragðslykkjan að því að meta öryggi og hentugleika sem og hagkvæmni tjaldveggsframleiðslu. Að lokum eru spjöldin sem myndast tilbúin fyrir stafræna framleiðslu. Forritið vinnur úr þróaðri kjarnabyggingu í véllæsanlegum G-kóða og undirbýr hana fyrir aukframleiðslu, frádráttareftirvinnslu og glerbindingar.
Hönnunarferlið er skoðað á tveimur mismunandi stigum. Til viðbótar við þá staðreynd að þjóðhagslögun framhliðanna hefur áhrif á rúmfræði hvers samsetts spjalds, er einnig hægt að hanna staðfræði kjarnans sjálfs á mesóstigi. Þegar notað er breytilegt framhliðarlíkan er hægt að hafa áhrif á lögun og útlit frá dæminu um framhlið með því að nota rennibrautirnar sem sýndar eru á mynd 3. Þannig samanstendur heildaryfirborðið af notendaskilgreindu skalanlegu yfirborði sem hægt er að afmynda með því að nota punktaðdráttara og breyta með tilgreina lágmarks- og hámarksstig aflögunar. Þetta veitir mikinn sveigjanleika við hönnun byggingaumslaga. Hins vegar er þetta frelsi takmarkað af tæknilegum og framleiðsluþvingunum, sem síðan eru spilaðar upp af reikniritunum í verkfræðihlutanum.
Auk hæðar og breiddar á allri framhliðinni er skipting framhliðsþilja ákveðin. Hvað varðar einstakar framhliðarplötur, þá er hægt að skilgreina þær nánar á mesóstigi. Þetta hefur áhrif á staðfræði kjarnabyggingarinnar sjálfrar, sem og þykkt glersins. Þessar tvær breytur, sem og stærð spjaldsins, hafa mikilvæg tengsl við vélaverkfræði líkanagerð. Hönnun og þróun á öllu makró- og mesóstigi er hægt að framkvæma með tilliti til hagræðingar í fjórum flokkum uppbyggingu, virkni, fagurfræði og vöruhönnun. Notendur geta þróað heildarútlit og tilfinningu byggingarinnar með því að forgangsraða þessum svæðum.
Verkefnið er stutt af verkfræðihlutanum með endurgjöf. Í þessu skyni eru markmið og jaðarskilyrði skilgreind í hagræðingarflokknum sem sýndur er á mynd 2. Þeir veita göngum sem eru tæknilega framkvæmanlegir, líkamlega traustir og öruggir í byggingu frá verkfræðilegu sjónarhorni, sem hefur veruleg áhrif á hönnun. Þetta er upphafið að ýmsum verkfærum sem hægt er að samþætta beint inn í Grasshopper. Í frekari rannsóknum er hægt að meta vélræna eiginleika með því að nota Finite Element Analysis (FEM) eða jafnvel greinandi útreikninga.
Að auki geta sólargeislunarrannsóknir, sjónlínugreining og sólskinstímalíkan metið áhrif samsettra spjalda á eðlisfræði byggingar. Mikilvægt er að takmarka ekki of hraða, skilvirkni og sveigjanleika hönnunarferlisins. Sem slíkar hafa niðurstöðurnar sem fengnar eru hér verið hannaðar til að veita frekari leiðbeiningar og stuðning við hönnunarferlið og koma ekki í staðinn fyrir nákvæma greiningu og rökstuðning í lok hönnunarferlisins. Þessi stefnumótandi áætlun leggur grunninn að frekari afdráttarlausum rannsóknum fyrir sannaðan árangur. Til dæmis er lítið enn vitað um vélræna hegðun samsettra spjalda við mismunandi álags- og stuðningsaðstæður.
Þegar hönnun og verkfræði er lokið er líkanið tilbúið fyrir stafræna framleiðslu. Framleiðsluferlinu er skipt í fjögur undirþrep (mynd 4). Í fyrsta lagi var aðalbyggingin framleidd til viðbótar með því að nota stórfellda vélfærafræði 3D prentunaraðstöðu. Yfirborðið er síðan malað með því að nota sama vélfærakerfi til að bæta yfirborðsgæði sem þarf fyrir góða tengingu. Eftir mölun er límið sett meðfram kjarnabyggingunni með því að nota sérhannað skömmtunarkerfi sem er fest á sama vélfærakerfi sem notað er við prentunar- og mölunarferlið. Að lokum er glerið sett upp og lagt fyrir útfjólubláa herðingu á tengdu samskeyti.
Fyrir aukna framleiðslu verður skilgreind staðfræði undirliggjandi uppbyggingar að vera þýdd á CNC vélamál (GCode). Til að ná einsleitum og hágæða niðurstöðum er markmiðið að prenta hvert lag án þess að pressastúturinn detti af. Þetta kemur í veg fyrir óæskilegan yfirþrýsting við upphaf og lok hreyfingar. Þess vegna var samfellt brautarmyndaforskrift skrifað fyrir frumumynstrið sem notað er. Þetta mun búa til breytilega samfellda fjöllínu með sömu upphafs- og endapunktum, sem aðlagast valinni spjaldstærð, fjölda og stærð hunangsseima samkvæmt hönnun. Að auki er hægt að tilgreina færibreytur eins og línubreidd og línuhæð áður en línur eru lagðar til að ná æskilegri hæð aðalbyggingarinnar. Næsta skref í handritinu er að skrifa G-kóða skipanirnar.
Þetta er gert með því að skrá hnit hvers punkts á línunni með viðbótarupplýsingum um vélina eins og aðra viðeigandi ása fyrir staðsetningu og hljóðstyrkstýringu útpressunar. G-kóðann sem myndast er síðan hægt að flytja yfir á framleiðsluvélar. Í þessu dæmi er Comau NJ165 iðnaðarvélmennaarmur á línulegri teinn notaður til að stjórna CEAD E25 extruder í samræmi við G-kóðann (Mynd 5). Fyrsta frumgerðin notaði PETG eftir iðnframleiðslu með glertrefjainnihaldi upp á 20%. Hvað varðar vélrænni prófun er markstærðin nálægt stærð byggingariðnaðarins, þannig að mál aðalþáttarins eru 1983 × 876 mm með 6 × 4 honeycomb frumum. 6 mm og 2 mm á hæð.
Bráðabirgðaprófanir hafa sýnt að það er munur á límstyrk milli líms og þrívíddarprentresíns eftir yfirborðseiginleikum þess. Til að gera þetta eru prófunarsýni úr aukefnaframleiðslu límd eða lagskipt á gler og látin þola spennu eða klippingu. Við forvinnslu á yfirborði fjölliða með mölun jókst styrkurinn verulega (mynd 6). Að auki bætir það flatneskju kjarnans og kemur í veg fyrir galla af völdum ofpressunar. UV-hertanlega LOCTITE® AA 3345™ [19] akrýlatið sem notað er hér er viðkvæmt fyrir vinnsluaðstæðum.
Þetta leiðir oft til hærra staðalfráviks fyrir skuldabréfaprófunarsýnin. Eftir aukefnaframleiðslu var kjarnabyggingin fræsuð á sniðfræsivél. G-kóði sem krafist er fyrir þessa aðgerð er sjálfkrafa búinn til úr verkfæraslóðum sem þegar eru búnar til fyrir þrívíddarprentunarferlið. Kjarnabyggingu þarf að prenta aðeins hærra en fyrirhugaða kjarnahæð. Í þessu dæmi hefur 18 mm þykk kjarnabygging verið minnkað í 14 mm.
Þessi hluti af framleiðsluferlinu er mikil áskorun fyrir fulla sjálfvirkni. Notkun líms gerir miklar kröfur um nákvæmni og nákvæmni véla. Pneumatic skammtakerfið er notað til að setja límið meðfram kjarnabyggingunni. Það er stýrt af vélmenni meðfram mölunarfletinum í samræmi við skilgreinda verkfæraleið. Það kemur í ljós að það er sérstaklega hagkvæmt að skipta út hefðbundnum skömmtunartoppnum fyrir bursta. Þetta gerir það að verkum að hægt er að skammta lím með lágseigju jafnt eftir rúmmáli. Þetta magn ræðst af þrýstingi í kerfinu og hraða vélmennisins. Fyrir meiri nákvæmni og mikil bindingsgæði er lágur ferðahraði 200 til 800 mm/mín ákjósanlegur.
Akrýlat með meðalseigju upp á 1500 mPa*s var borið á vegg fjölliðakjarna 6 mm á breidd með því að nota skammtabursta með innra þvermál 0,84 mm og burstabreidd 5 við álagðan þrýsting sem er 0,3 til 0,6 mbar. mm. Líminu er síðan dreift yfir yfirborð undirlagsins og myndar 1 mm þykkt lag vegna yfirborðsspennu. Nákvæm ákvörðun á límþykktinni er ekki enn hægt að gera sjálfvirkan. Lengd ferlisins er mikilvægt viðmið fyrir val á límefni. Kjarnabyggingin sem framleidd er hér hefur brautarlengd upp á 26 m og því notkunartími 30 til 60 mínútur.
Eftir að límið hefur verið sett á skaltu setja tvöfalda glerjunargluggann á sinn stað. Vegna lítillar þykktar efnisins er þunnt gler nú þegar mjög afmyndað af eigin þyngd og verður því að staðsetja það eins jafnt og mögulegt er. Til þess eru notaðir pneumatic sogskálar úr gleri með tímadreifðum sogskálum. Það er sett á íhlutinn með því að nota krana og í framtíðinni gæti það verið sett beint með vélmenni. Glerplatan var sett samsíða yfirborði kjarnans á límlaginu. Vegna léttari þyngdar eykur auka glerplata (4 til 6 mm þykk) þrýstinginn á hana.
Niðurstaðan ætti að vera algjör bleyta á gleryfirborðinu meðfram kjarnabyggingunni, eins og hægt er að dæma af fyrstu sjónrænu skoðun á sýnilegum litamun. Umsóknarferlið getur einnig haft veruleg áhrif á gæði endanlegs tengt samskeyti. Þegar búið er að tengja glerplöturnar má ekki færa þær til þar sem það mun hafa í för með sér sýnilegar límleifar á glerinu og galla í raunverulegu límlaginu. Að lokum er límið hert með UV geislun á bylgjulengd 365 nm. Til að gera þetta er UV lampi með aflþéttleika 6 mW/cm2 látinn fara smám saman yfir allt límflötinn í 60 s.
Hugmyndin um léttar og sérhannaðar þunnt gler samsettar spjöld með fjölliða kjarna sem fjallað er um hér er ætlað til notkunar í framtíðarframhliðum. Þannig verða samsettar plötur að uppfylla gildandi staðla og uppfylla kröfur um þjónustumörk (SLS), endanlega styrkleikamörk (ULS) og öryggiskröfur. Þess vegna verða samsettar plötur að vera öruggar, sterkar og nógu stífar til að standast álag (eins og yfirborðsálag) án þess að brotna eða of mikil aflögun. Til að kanna vélrænni viðbrögð áður framleiddra þunnra samsettra glerplötur (eins og lýst er í Vélrænni prófunarhlutanum), voru þau gefin í vindálagsprófanir eins og lýst er í næsta undirkafla.
Tilgangur eðlisfræðilegra prófana er að rannsaka vélræna eiginleika samsettra þilja á ytri veggjum undir vindálagi. Í þessu skyni voru samsettar spjöld sem samanstóð af 3 mm þykkri fullhertu gleri ytri plötu og 14 mm þykkum kjarna sem er framleiddur með aukefnum (úr PIPG-GF20) framleidd eins og lýst er hér að ofan með því að nota Henkel Loctite AA 3345 lím (Mynd 7 til vinstri). )). . Samsettu plöturnar eru síðan festar á viðarstoðgrindina með málmskrúfum sem eru keyrðar í gegnum viðargrindina og inn í hliðar aðalbyggingarinnar. 30 skrúfur voru settar í kringum jaðar spjaldsins (sjá svörtu línuna til vinstri á mynd 7) til að endurskapa línuleg stuðningsskilyrði í kringum jaðarinn sem næst.
Prófunargrindin var síðan innsigluð við ytri prófunarvegginn með því að beita vindþrýstingi eða vindsogi á bak við samsetta spjaldið (Mynd 7, efst til hægri). Stafrænt fylgnikerfi (DIC) er notað til að skrá gögn. Til að gera þetta er ytra glerið á samsettu spjaldinu þakið þunnu teygjublaði sem prentað er á það með perlulínu hávaðamynstri (Mynd 7, neðst til hægri). DIC notar tvær myndavélar til að skrá hlutfallslega stöðu allra mælipunkta á öllu gleryfirborðinu. Tvær myndir á sekúndu voru teknar upp og notaðar við mat. Þrýstingurinn í hólfinu, umkringdur samsettum plötum, er aukinn með viftu í 1000 Pa þrepum upp að hámarksgildi upp á 4000 Pa, þannig að hverju álagsstigi er haldið í 10 sekúndur.
Líkamleg uppsetning tilraunarinnar er einnig táknuð með tölulegu líkani með sömu rúmfræðilegu stærðum. Til þess er tölulega forritið Ansys Mechanical notað. Kjarnabyggingin var geometrísk möskva með SOLID 185 sexhyrndum þáttum með 20 mm hliðum fyrir gler og SOLID 187 fjórþættir þættir með 3 mm hliðum. Til að einfalda líkanagerð er hér á þessu stigi rannsóknarinnar gert ráð fyrir að akrýlatið sem notað er sé helst stíft og þunnt og sé skilgreint sem stíft samband milli glersins og kjarnaefnisins.
Samsettu plöturnar eru festar í beinni línu utan kjarnans og glerplöturnar verða fyrir yfirborðsþrýstingsálagi upp á 4000 Pa. Þrátt fyrir að tekið hafi verið tillit til rúmfræðilegra ólínuleika í líkangerðinni voru aðeins línuleg efnislíkön notuð á þessu stigi málsins. nám. Þrátt fyrir að þetta sé gild forsenda fyrir línulega teygjanlegu svörun glers (E = 70.000 MPa), samkvæmt gagnablaði framleiðanda (seigistygjanlega) fjölliða kjarnaefnisins [17], var línuleg stífleiki E = 8245 MPa notaður í núverandi greining ætti að íhuga vandlega og verður rannsökuð í framtíðarrannsóknum.
Niðurstöðurnar sem kynntar eru hér eru metnar aðallega fyrir aflögun við hámarks vindálag allt að 4000 Pa (=ˆ4kN/m2). Til þess voru myndirnar sem teknar voru með DIC-aðferðinni bornar saman við niðurstöður tölulegrar uppgerðar (FEM) (mynd 8, neðst til hægri). Þó að hugsjón heildarálag upp á 0 mm með „tilvali“ línulegum stoðum á jaðarsvæðinu (þ.e. spjaldsvæði) sé reiknað í FEM, verður að taka tillit til líkamlegrar tilfærslu jaðarsvæðisins þegar DIC er metið. Þetta er vegna uppsetningarvikmarka og aflögunar á prófunargrindinni og innsigli hans. Til samanburðar var meðaltilfærslan á jaðarsvæðinu (hvít strikað lína á mynd 8) dregin frá hámarksfærslunni í miðju spjaldsins. Tilfærslurnar sem ákvarðaðar eru með DIC og FEA eru bornar saman í töflu 1 og eru sýndar á myndrænan hátt í efra vinstra horninu á mynd 8.
Fjögur beitt álagsstig tilraunalíkansins voru notuð sem viðmiðunarpunktar fyrir mat og metin í FEM. Hámarks miðlæg tilfærsla samsettu plötunnar í óhlaðnu ástandi var ákvörðuð með DIC mælingum við álagsstig 4000 Pa við 2,18 mm. Þó að FEA tilfærslur við lægra álag (allt að 2000 Pa) geti enn endurskapað tilraunagildi nákvæmlega, er ekki hægt að reikna nákvæmlega út ólínulega aukningu á álagi við hærra álag.
Hins vegar hafa rannsóknir sýnt að samsettar plötur þola mikið vindálag. Mikil stífni léttu spjaldanna sker sig sérstaklega úr. Með því að nota greiningarútreikninga byggða á línulegri kenningu Kirchhoff plötunnar [20] samsvarar aflögun 2,18 mm við 4000 Pa aflögun einni glerplötu sem er 12 mm þykk við sömu jaðarskilyrði. Fyrir vikið er hægt að minnka þykkt glersins (sem er orkufrek í framleiðslu) í þessu samsettu gleri í 2 x 3 mm gler, sem leiðir til 50% efnissparnaðar. Að draga úr heildarþyngd spjaldsins veitir frekari ávinning hvað varðar samsetningu. Þó að tveir menn geti auðveldlega meðhöndlað 30 kg samsett spjald, þarf hefðbundin 50 kg glerplata tæknilega aðstoð til að hreyfa sig á öruggan hátt. Til þess að sýna vélrænni hegðun nákvæmlega verður þörf á nákvæmari tölulegum líkönum í framtíðarrannsóknum. Hægt er að bæta endanlega frumefnagreiningu enn frekar með víðtækari ólínulegum efnislíkönum fyrir fjölliður og límbindingarlíkön.
Þróun og endurbætur stafrænna ferla gegna lykilhlutverki í að bæta efnahagslegan og umhverfislegan árangur í byggingariðnaðinum. Að auki lofar notkun þunns glers í framhliðar orku- og auðlindasparnað og opnar nýja möguleika fyrir byggingarlist. Hins vegar, vegna lítillar þykktar glersins, þarf nýjar hönnunarlausnir til að styrkja glerið nægilega vel. Þess vegna kannar rannsóknin sem kynnt er í þessari grein hugmyndina um samsett spjöld úr þunnu gleri og tengdum styrktum 3D prentuðum fjölliða kjarnabyggingum. Allt framleiðsluferlið frá hönnun til framleiðslu hefur verið stafrænt og sjálfvirkt. Með hjálp Grasshopper var þróað verkflæði frá skrá til verksmiðju til að gera kleift að nota þunna samsetta glerplötur í framhliðum framtíðarinnar.
Framleiðsla fyrstu frumgerðarinnar sýndi fram á hagkvæmni og áskoranir vélfæraframleiðslu. Þó að aukefnis- og frádráttarframleiðsla sé nú þegar vel samþætt, þá skapar fullkomlega sjálfvirk límnotkun og samsetning sérstaklega frekari áskoranir sem þarf að takast á við í framtíðarrannsóknum. Með bráðabirgðaprófunum og tengdum rannsóknum á endanlegum þáttum hefur verið sýnt fram á að léttar og þunnar trefjaglerplötur veita nægilega beygjustífleika fyrir fyrirhugaða framhlið, jafnvel við miklar vindálagsaðstæður. Áframhaldandi rannsóknir höfunda munu kanna frekar möguleika stafrænt framleiddra þunnra samsettra glerplötur fyrir framhliðar og sýna fram á skilvirkni þeirra.
Höfundar vilja þakka öllum stuðningsmönnum sem tengjast þessari rannsóknarvinnu. Þökk sé EFRE SAB fjármögnunaráætluninni sem styrkt er af sjóðum Evrópusambandsins í formi styrks nr. til að útvega fjármagn til kaupa á vélbúnaði með extruder og mölunarbúnaði. 100537005. Að auki hlaut AiF-ZIM viðurkenningu fyrir að styrkja Glasfur3D rannsóknarverkefnið (styrknúmer ZF4123725WZ9) í samvinnu við Glaswerkstätten Glas Ahne, sem veitti umtalsverðan stuðning við þessa rannsóknarvinnu. Loks viðurkenna Friedrich Siemens rannsóknarstofan og samstarfsaðilar hennar, sérstaklega Felix Hegewald og aðstoðarnemi Jonathan Holzerr, tæknilegan stuðning og framkvæmd framleiðslunnar og líkamlegra prófana sem lágu til grundvallar þessari grein.
Pósttími: Ágúst-04-2023