Prototipi ta 'pannelli tal-faċċata komposti tal-ħġieġ irqiq iffabbrikati b'mod diġitali

L-użu ta 'ħġieġ irqiq iwiegħed li jwettaq diversi kompiti fl-industrija tal-kostruzzjoni. Minbarra l-benefiċċji ambjentali ta 'użu aktar effiċjenti tar-riżorsi, il-periti jistgħu jużaw ħġieġ irqiq biex jiksbu gradi ġodda ta' libertà tad-disinn. Ibbażat fuq it-teorija tas-sandwich, ħġieġ irqiq flessibbli jista 'jiġi kkombinat ma' qalba tal-polimeru taċ-ċelluli miftuħa stampata 3D biex tifforma riġida ħafna u ħafifa. elementi komposti. Dan l-artikolu jippreżenta tentattiv esploratorju ta 'fabbrikazzjoni diġitali ta' pannelli rqiqa tal-faċċata komposti tal-ħġieġ bl-użu ta 'robots industrijali. Jispjega l-kunċett tad-diġitizzazzjoni tal-flussi tax-xogħol minn fabbrika għal fabbrika, inkluż disinn megħjun mill-kompjuter (CAD), inġinerija (CAE) u manifattura (CAM). L-istudju juri proċess ta 'disinn parametriku li jippermetti integrazzjoni bla xkiel ta' għodod ta 'analiżi diġitali.
Barra minn hekk, dan il-proċess juri l-potenzjal u l-isfidi tal-manifattura diġitali ta 'pannelli komposti tal-ħġieġ irqiq. Uħud mill-passi tal-manifattura mwettqa minn driegħ robot industrijali, bħal manifattura addittiva ta 'format kbir, magni tal-wiċċ, inkullar u proċessi ta' assemblaġġ, huma spjegati hawn. Fl-aħħarnett, għall-ewwel darba, inkiseb fehim profond tal-proprjetajiet mekkaniċi ta 'pannelli komposti permezz ta' studji sperimentali u numeriċi u evalwazzjoni tal-proprjetajiet mekkaniċi ta 'pannelli komposti taħt tagħbija tal-wiċċ. Il-kunċett ġenerali tad-disinn diġitali u l-fluss tax-xogħol tal-fabbrikazzjoni, kif ukoll ir-riżultati ta 'studji sperimentali, jipprovdu bażi għal aktar integrazzjoni ta' definizzjoni tal-forma u metodi ta 'analiżi, kif ukoll għat-twettiq ta' studji mekkanistiċi estensivi fi studji futuri.
Il-metodi ta’ manifattura diġitali jippermettulna ntejbu l-produzzjoni billi nittrasformaw il-metodi tradizzjonali u nipprovdu possibbiltajiet ġodda ta’ disinn [1]. Metodi ta 'bini tradizzjonali għandhom it-tendenza li jużaw żżejjed materjali f'termini ta' spiża, ġeometrija bażika u sikurezza. Billi tmexxi l-kostruzzjoni għal fabbriki, billi tuża prefabbrikazzjoni modulari u robotika biex timplimenta metodi ġodda ta 'disinn, il-materjali jistgħu jintużaw b'mod effiċjenti mingħajr ma tiġi kompromessa s-sigurtà. Il-manifattura diġitali tippermettilna nespandu l-immaġinazzjoni tad-disinn tagħna biex noħolqu forom ġeometriċi aktar diversi, effiċjenti u ambizzjużi. Filwaqt li l-proċessi tad-disinn u l-kalkolu fil-biċċa l-kbira ġew diġitizzati, il-manifattura u l-assemblaġġ għadhom fil-biċċa l-kbira jsiru bl-idejn b’modi tradizzjonali. Biex ilaħħqu ma' strutturi ta' forma ħielsa dejjem aktar kumplessi, il-proċessi tal-manifattura diġitali qed isiru dejjem aktar importanti. Ix-xewqa għal-libertà u l-flessibbiltà tad-disinn, speċjalment fejn jidħlu faċċati, qed tikber b'mod kostanti. Minbarra l-effett viżwali, il-faċċati b'forma ħielsa jippermettu wkoll li toħloq strutturi aktar effiċjenti, pereżempju, permezz tal-użu ta 'effetti tal-membrana [2]. Barra minn hekk, il-potenzjal kbir tal-proċessi tal-manifattura diġitali jinsab fl-effiċjenza tagħhom u l-possibbiltà ta 'ottimizzazzjoni tad-disinn.
Dan l-artikolu jesplora kif it-teknoloġija diġitali tista 'tintuża biex tiddisinja u timmanifattura pannell tal-faċċata kompost innovattiv li jikkonsisti f'qalba tal-polimeru fabbrikata b'mod addittiv u pannelli ta' barra tal-ħġieġ irqiq magħqudin. Minbarra l-possibbiltajiet arkitettoniċi ġodda assoċjati mal-użu ta 'ħġieġ irqiq, kriterji ambjentali u ekonomiċi kienu wkoll motivazzjonijiet importanti għall-użu ta' inqas materjal biex jinbena l-invilupp tal-bini. Bit-tibdil fil-klima, l-iskarsezza tar-riżorsi u l-prezzijiet tal-enerġija li qed jogħlew fil-futur, il-ħġieġ għandu jintuża b'mod aktar intelliġenti. L-użu ta 'ħġieġ irqiq ta' inqas minn 2 mm ħxuna mill-industrija elettronika jagħmel il-faċċata ħafifa u jnaqqas l-użu ta 'materja prima.
Minħabba l-flessibbiltà għolja tal-ħġieġ irqiq, tiftaħ possibbiltajiet ġodda għal applikazzjonijiet arkitettoniċi u fl-istess ħin toħloq sfidi ġodda ta 'inġinerija [3,4,5,6]. Filwaqt li l-implimentazzjoni attwali ta 'proġetti ta' faċċata li jużaw ħġieġ irqiq hija limitata, ħġieġ irqiq qed jintuża dejjem aktar fl-inġinerija ċivili u studji arkitettoniċi. Minħabba l-abbiltà għolja tal-ħġieġ irqiq għal deformazzjoni elastika, l-użu tiegħu fil-faċċati jeħtieġ soluzzjonijiet strutturali rinfurzati [7]. Minbarra l-isfruttament tal-effett tal-membrana minħabba l-ġeometrija mgħawġa [8], il-mument ta 'inerzja jista' jiżdied ukoll bi struttura b'ħafna saffi li tikkonsisti f'qalba tal-polimeru u folja ta 'barra tal-ħġieġ irqiq inkollat. Dan l-approċċ wera wegħda minħabba l-użu ta 'qalba tal-polikarbonat trasparenti iebsa, li hija inqas densa mill-ħġieġ. Minbarra l-azzjoni mekkanika pożittiva, ġew issodisfati kriterji ta' sikurezza addizzjonali [9].
L-approċċ fl-istudju li ġej huwa bbażat fuq l-istess kunċett, iżda bl-użu ta 'qalba trasluċida ta' pori miftuħa fabbrikata b'mod addittiv. Dan jiggarantixxi grad ogħla ta' libertà ġeometrika u possibbiltajiet ta' disinn, kif ukoll l-integrazzjoni tal-funzjonijiet fiżiċi tal-bini [10]. Pannelli komposti bħal dawn urew li huma partikolarment effettivi fl-ittestjar mekkaniku [11] u jwiegħdu li jnaqqsu l-ammont ta 'ħġieġ użat sa 80%. Dan mhux biss inaqqas ir-riżorsi meħtieġa, iżda wkoll inaqqas b'mod sinifikanti l-piż tal-pannelli, u b'hekk iżid l-effiċjenza tas-sottostruttura. Iżda forom ġodda ta 'kostruzzjoni jeħtieġu forom ġodda ta' produzzjoni. Strutturi effiċjenti jeħtieġu proċessi ta 'manifattura effiċjenti. Id-disinn diġitali jikkontribwixxi għall-manifattura diġitali. Dan l-artikolu jkompli r-riċerka preċedenti tal-awtur billi jippreżenta studju tal-proċess tal-manifattura diġitali ta 'pannelli komposti tal-ħġieġ irqiq għal robots industrijali. L-enfasi hija fuq id-diġitizzazzjoni tal-fluss tax-xogħol mill-fajl għall-fabbrika tal-ewwel prototipi ta 'format kbir biex tiżdied l-awtomazzjoni tal-proċess tal-manifattura.
Il-pannell kompost (Figura 1) jikkonsisti f'żewġ superpożizzjonijiet tal-ħġieġ irqiq imgeżwer madwar qalba tal-polimer AM. Iż-żewġ partijiet huma konnessi bil-kolla. L-għan ta 'dan id-disinn huwa li tqassam it-tagħbija fuq is-sezzjoni kollha bl-aktar mod effiċjenti possibbli. Il-mumenti tal-liwi joħolqu stress normali fil-qoxra. Forzi laterali jikkawżaw shear stresses fil-qalba u ġonot adeżivi.
Is-saff ta 'barra tal-istruttura tas-sandwich huwa magħmul minn ħġieġ irqiq. Fil-prinċipju, se jintuża ħġieġ tas-silikat tas-soda-ġir. Bi ħxuna fil-mira < 2 mm, il-proċess ta 'ttemprar termali jilħaq il-limitu teknoloġiku attwali. Ħġieġ aluminosilikat imsaħħaħ kimikament jista' jitqies partikolarment adattat jekk tkun meħtieġa saħħa ogħla minħabba d-disinn (eż. pannelli mitwija fil-kesħa) jew l-użu [12]. It-trażmissjoni tad-dawl u l-funzjonijiet ta 'protezzjoni ambjentali se jkunu kkumplimentati minn proprjetajiet mekkaniċi tajbin bħal reżistenza tajba għall-grif u modulus ta' Young relattivament għoli meta mqabbel ma 'materjali oħra użati f'komposti. Minħabba d-daqs limitat disponibbli għal ħġieġ irqiq imwebbes kimikament, intużaw pannelli ta 'ħġieġ tas-soda-lime oħxon ta' 3 mm kompletament ittemprat biex jinħoloq l-ewwel prototip fuq skala kbira.
L-istruttura ta 'appoġġ hija kkunsidrata bħala parti ffurmata tal-pannell kompost. Kważi l-attributi kollha huma affettwati minnha. Grazzi għall-metodu ta 'manifattura addittiv, huwa wkoll iċ-ċentru tal-proċess ta' manifattura diġitali. Termoplastiċi huma pproċessati permezz ta 'fusing. Dan jagħmilha possibbli li jintuża numru kbir ta 'polimeri differenti għal applikazzjonijiet speċifiċi. It-topoloġija tal-elementi ewlenin tista 'tiġi ddisinjata b'enfasi differenti skont il-funzjoni tagħhom. Għal dan il-għan, id-disinn tal-forma jista 'jinqasam fl-erba' kategoriji tad-disinn li ġejjin: disinn strutturali, disinn funzjonali, disinn estetiku u disinn tal-produzzjoni. Kull kategorija jista' jkollha skopijiet differenti, li jistgħu jwasslu għal topoloġiji differenti.
Matul l-istudju preliminari, xi wħud mid-disinji ewlenin ġew ittestjati għall-adegwatezza tad-disinn tagħhom [11]. Mil-lat mekkaniku, il-wiċċ tal-qalba minimu ta 'tliet perjodi tal-ġiroskopju huwa partikolarment effettiv. Dan jipprovdi reżistenza mekkanika għolja għall-liwi b'konsum ta 'materjal relattivament baxx. Minbarra l-istrutturi bażiċi ċellulari riprodotti fir-reġjuni tal-wiċċ, it-topoloġija tista 'tiġi ġġenerata wkoll minn tekniki oħra ta' sejba tal-forma. Il-ġenerazzjoni tal-linja tal-istress hija waħda mill-modi possibbli biex tiġi ottimizzata l-ebusija bl-inqas piż possibbli [13]. Madankollu, l-istruttura tax-xehda, użata ħafna fil-kostruzzjonijiet tas-sandwich, intużat bħala punt tat-tluq għall-iżvilupp tal-linja tal-produzzjoni. Din il-forma bażika twassal għal progress rapidu fil-produzzjoni, speċjalment permezz ta 'programmazzjoni faċli ta' toolpath. L-imġieba tagħha f'pannelli komposti ġiet studjata b'mod estensiv [14, 15, 16] u d-dehra tista 'tinbidel f'ħafna modi permezz ta' parametrizzazzjoni u tista 'tintuża wkoll għal kunċetti ta' ottimizzazzjoni inizjali.
Hemm ħafna polimeri termoplastiku li għandek tikkonsidra meta tagħżel polimeru, skont il-proċess ta 'estrużjoni użat. Studji preliminari inizjali ta 'materjali fuq skala żgħira naqqsu n-numru ta' polimeri meqjusa adattati għall-użu fil-faċċati [11]. Il-polikarbonat (PC) huwa promettenti minħabba r-reżistenza tas-sħana, ir-reżistenza għall-UV u r-riġidità għolja tiegħu. Minħabba l-investiment tekniku u finanzjarju addizzjonali meħtieġ biex jiġi pproċessat il-polikarbonat, intuża l-polyethylene terephthalate (PETG) modifikat ta 'ethylene glycol biex jipproduċi l-ewwel prototipi. Huwa partikolarment faċli li tiġi pproċessata f'temperaturi relattivament baxxi b'riskju baxx ta 'stress termali u deformazzjoni tal-komponenti. Il-prototip muri hawn huwa magħmul minn PETG riċiklat imsejjaħ PIPG. Il-materjal kien imnixxef preliminarjament f'60 ° C għal mill-inqas 4 sigħat u pproċessat fi granuli b'kontenut ta 'fibra tal-ħġieġ ta' 20% [17].
Il-kolla tipprovdi rabta qawwija bejn l-istruttura tal-qalba tal-polimeru u l-għatu tal-ħġieġ irqiq. Meta pannelli komposti huma soġġetti għal tagħbijiet ta 'liwi, il-ġonot adeżivi huma soġġetti għal tensjoni ta' shear. Għalhekk, adeżiv aktar iebes huwa preferut u jista 'jnaqqas id-deflessjoni. L-adeżivi ċari jgħinu wkoll biex jipprovdu kwalità viżiva għolja meta mwaħħla ma 'ħġieġ ċar. Fattur importanti ieħor meta tagħżel kolla hija l-manifattura u l-integrazzjoni fi proċessi ta 'produzzjoni awtomatizzati. Hawnhekk l-adeżivi ta 'tqaddid UV b'ħinijiet ta' tqaddid flessibbli jistgħu jissimplifikaw ħafna l-ippożizzjonar tas-saffi tal-kopertura. Ibbażat fuq testijiet preliminari, serje ta 'adeżivi ġew ittestjati għall-adegwatezza tagħhom għal pannelli komposti tal-ħġieġ irqiq [18]. Loctite® AA 3345™ UV kurabbli akrilat [19] wera li huwa partikolarment adattat għall-proċess li ġej.
Biex tieħu vantaġġ mill-possibbiltajiet tal-manifattura addittiva u l-flessibbiltà tal-ħġieġ irqiq, il-proċess kollu kien iddisinjat biex jaħdem b'mod diġitali u parametriku. Grasshopper jintuża bħala interface ta 'programmazzjoni viżiva, u jevita interfaces bejn programmi differenti. Id-dixxiplini kollha (inġinerija, inġinerija u manifattura) se jappoġġjaw u jikkumplimentaw lil xulxin f'fajl wieħed b'rispons dirett mill-operatur. F'dan l-istadju tal-istudju, il-fluss tax-xogħol għadu qed jiġi żviluppat u jsegwi l-mudell muri fil-Figura 2. L-għanijiet differenti jistgħu jinġabru f'kategoriji fi ħdan id-dixxiplini.
Għalkemm il-produzzjoni ta 'pannelli sandwich f'din id-dokument ġiet awtomatizzata b'disinn u preparazzjoni tal-fabbrikazzjoni ċċentrata fuq l-utent, l-integrazzjoni u l-validazzjoni ta' għodod ta 'inġinerija individwali ma ġewx realizzati bis-sħiħ. Ibbażat fuq id-disinn parametriku tal-ġeometrija tal-faċċata, huwa possibbli li tiddisinja l-qoxra ta 'barra tal-bini fil-livell makro (faċċata) u meso (pannelli tal-faċċata). Fit-tieni pass, il-linja ta 'feedback tal-inġinerija għandha l-għan li tevalwa s-sikurezza u l-adegwatezza kif ukoll il-vijabbiltà tal-fabbrikazzjoni tal-ħajt tal-purtieri. Fl-aħħarnett, il-pannelli li jirriżultaw huma lesti għall-produzzjoni diġitali. Il-programm jipproċessa l-istruttura tal-qalba żviluppata f'kodiċi G li jinqara mill-magni u jippreparaha għall-manifattura addittiva, l-ipproċessar ta 'wara sottrattiv u t-twaħħil tal-ħġieġ.
Il-proċess tad-disinn huwa kkunsidrat f'żewġ livelli differenti. Minbarra l-fatt li l-forma makro tal-faċċati taffettwa l-ġeometrija ta 'kull pannell kompost, it-topoloġija tal-qalba nnifisha tista' wkoll tkun iddisinjata fil-livell meso. Meta tuża mudell ta 'faċċata parametrika, il-forma u d-dehra jistgħu jiġu influwenzati mis-sezzjonijiet tal-faċċata ta' eżempju bl-użu tas-slajders murija fil-Figura 3. Għalhekk, il-wiċċ totali jikkonsisti minn wiċċ skalabbli definit mill-utent li jista 'jiġi deformat bl-użu ta' attractors tal-punti u modifikat permezz li tispeċifika grad minimu u massimu ta' deformazzjoni. Dan jipprovdi grad għoli ta 'flessibilità fid-disinn ta' envelops tal-bini. Madankollu, dan il-grad ta 'libertà huwa limitat minn restrizzjonijiet tekniċi u tal-manifattura, li mbagħad jintlagħbu mill-algoritmi fil-parti tal-inġinerija.
Minbarra l-għoli u l-wisa 'tal-faċċata kollha, id-diviżjoni tal-pannelli tal-faċċata hija determinata. Fir-rigward tal-pannelli tal-faċċata individwali, jistgħu jiġu definiti b'mod aktar preċiż fil-livell meso. Dan jaffettwa t-topoloġija tal-istruttura tal-qalba nnifisha, kif ukoll il-ħxuna tal-ħġieġ. Dawn iż-żewġ varjabbli, kif ukoll id-daqs tal-pannell, għandhom relazzjoni importanti mal-immudellar tal-inġinerija mekkanika. Id-disinn u l-iżvilupp tal-livell makro u meso kollu jistgħu jitwettqu f'termini ta 'ottimizzazzjoni fl-erba' kategoriji ta 'struttura, funzjoni, estetika u disinn tal-prodott. L-utenti jistgħu jiżviluppaw id-dehra u s-sensazzjoni ġenerali tal-pakkett tal-bini billi jagħtu prijorità lil dawn iż-żoni.
Il-proġett huwa appoġġjat mill-parti tal-inġinerija bl-użu ta 'ċirkwit ta' feedback. Għal dan il-għan, l-għanijiet u l-kundizzjonijiet tal-konfini huma definiti fil-kategorija ta 'ottimizzazzjoni murija fil-Fig. 2. Huma jipprovdu kurituri li huma teknikament fattibbli, fiżikament sodi, u sikuri biex jinbnew mil-lat ta' inġinerija, li għandu impatt sinifikanti fuq id-disinn. Dan huwa l-punt tat-tluq għal diversi għodod li jistgħu jiġu integrati direttament fil-Grasshopper. F'aktar investigazzjonijiet, il-proprjetajiet mekkaniċi jistgħu jiġu evalwati bl-użu tal-Analiżi tal-Elementi Finiti (FEM) jew saħansitra kalkoli analitiċi.
Barra minn hekk, l-istudji tar-radjazzjoni solari, l-analiżi tal-linja tal-vista, u l-immudellar tat-tul tax-xemx jistgħu jevalwaw l-impatt tal-pannelli komposti fuq il-fiżika tal-bini. Huwa importanti li ma tillimitax żżejjed il-veloċità, l-effiċjenza u l-flessibilità tal-proċess tad-disinn. Bħala tali, ir-riżultati miksuba hawnhekk ġew iddisinjati biex jipprovdu gwida u appoġġ addizzjonali għall-proċess tad-disinn u mhumiex sostitut għal analiżi dettaljata u ġustifikazzjoni fi tmiem il-proċess tad-disinn. Dan il-pjan strateġiku jistabbilixxi l-pedament għal aktar riċerka kategorika għal riżultati ppruvati. Pereżempju, ftit għadu magħruf dwar l-imġieba mekkanika ta 'pannelli komposti taħt diversi kundizzjonijiet ta' tagħbija u appoġġ.
Ladarba d-disinn u l-inġinerija jitlestew, il-mudell ikun lest għall-produzzjoni diġitali. Il-proċess tal-manifattura huwa maqsum f'erba' sub-stadji (Fig. 4). L-ewwel, l-istruttura ewlenija kienet fabbrikata b'mod addittiv bl-użu ta 'faċilità ta' stampar 3D robotiku fuq skala kbira. Il-wiċċ imbagħad jiġi mitħun bl-użu tal-istess sistema robotika biex ittejjeb il-kwalità tal-wiċċ meħtieġa għal twaħħil tajjeb. Wara t-tħin, il-kolla tiġi applikata tul l-istruttura tal-qalba bl-użu ta 'sistema ta' dożaġġ iddisinjata apposta immuntata fuq l-istess sistema robotika użata għall-proċess ta 'stampar u tħin. Fl-aħħarnett, il-ħġieġ huwa installat u mqiegħed qabel it-tqaddid UV tal-ġonta magħquda.
Għall-manifattura addittiva, it-topoloġija definita tal-istruttura sottostanti għandha tiġi tradotta fil-lingwa tal-magni CNC (GCode). Għal riżultati uniformi u ta 'kwalità għolja, l-għan huwa li tipprintja kull saff mingħajr ma taqa' ż-żennuna tal-estrużur. Dan jipprevjeni pressjoni żejda mhux mixtieqa fil-bidu u fit-tmiem tal-moviment. Għalhekk, inkiteb skript kontinwu ta 'ġenerazzjoni ta' trajettorja għall-mudell taċ-ċelluli li qed jintuża. Dan se joħloq polyline parametriku kontinwu bl-istess punti tal-bidu u tat-tmiem, li tadatta għad-daqs tal-pannell magħżul, in-numru u d-daqs tax-xehda skont id-disinn. Barra minn hekk, parametri bħall-wisa 'tal-linja u l-għoli tal-linja jistgħu jiġu speċifikati qabel it-tqegħid tal-linji biex jinkiseb l-għoli mixtieq tal-istruttura prinċipali. Il-pass li jmiss fl-iskrittura huwa li tikteb il-kmandi tal-G-code.
Dan isir billi jiġu rrekordjati l-koordinati ta 'kull punt fuq il-linja b'informazzjoni addizzjonali tal-magna bħal assi oħra rilevanti għall-ippożizzjonar u l-kontroll tal-volum ta' estrużjoni. Il-kodiċi G li jirriżulta jista 'mbagħad jiġi trasferit għal magni tal-produzzjoni. F'dan l-eżempju, driegħ robot industrijali Comau NJ165 fuq ferrovija lineari jintuża biex jikkontrolla estrużur CEAD E25 skont il-kodiċi G (Figura 5). L-ewwel prototip uża PETG post-industrijali b'kontenut ta 'fibra tal-ħġieġ ta' 20%. F'termini ta 'ttestjar mekkaniku, id-daqs fil-mira huwa qrib id-daqs tal-industrija tal-kostruzzjoni, għalhekk id-dimensjonijiet tal-element ewlieni huma 1983 × 876 mm b'6 × 4 ċelluli tax-xehda. 6 mm u 2 mm għoli.
Testijiet preliminari wrew li hemm differenza fis-saħħa tal-kolla bejn il-kolla u r-reżina tal-istampar 3D skont il-proprjetajiet tal-wiċċ tagħha. Biex tagħmel dan, kampjuni tat-test tal-manifattura addittiva huma inkollati jew laminati mal-ħġieġ u soġġetti għal tensjoni jew shear. Matul l-ipproċessar mekkaniku preliminari tal-wiċċ tal-polimer bit-tħin, is-saħħa żdiedet b'mod sinifikanti (Fig. 6). Barra minn hekk, ittejjeb il-flatness tal-qalba u tipprevjeni difetti kkawżati minn estrużjoni żejda. L-akrilat LOCTITE® AA 3345™ [19] li jista' jitfejjaq UV użat hawnhekk huwa sensittiv għall-kundizzjonijiet tal-ipproċessar.
Dan spiss jirriżulta f'devjazzjoni standard ogħla għall-kampjuni tat-test tal-bonds. Wara l-manifattura addittiva, l-istruttura tal-qalba kienet mitħun fuq magna tat-tħin tal-profil. Il-kodiċi G meħtieġ għal din l-operazzjoni huwa ġġenerat awtomatikament minn mogħdijiet ta 'għodda diġà maħluqa għall-proċess ta' stampar 3D. L-istruttura tal-qalba jeħtieġ li tiġi stampata kemmxejn ogħla mill-għoli tal-qalba maħsub. F'dan l-eżempju, l-istruttura tal-qalba ta '18 mm oħxon tnaqqset għal 14 mm.
Din il-parti tal-proċess tal-manifattura hija sfida kbira għall-awtomazzjoni sħiħa. L-użu ta 'adeżivi jpoġġi talbiet għoljin fuq l-eżattezza u l-preċiżjoni tal-magni. Is-sistema ta 'dożaġġ pnewmatiku tintuża biex tapplika l-adeżiv tul l-istruttura tal-qalba. Huwa ggwidat mir-robot tul il-wiċċ tat-tħin skont il-mogħdija tal-għodda definita. Jirriżulta li s-sostituzzjoni tal-ponta tad-distribuzzjoni tradizzjonali b'pinzell hija speċjalment vantaġġuża. Dan jippermetti li l-adeżivi ta 'viskożità baxxa jiġu mqassma b'mod uniformi bil-volum. Dan l-ammont huwa determinat mill-pressjoni fis-sistema u l-veloċità tar-robot. Għal preċiżjoni akbar u kwalità għolja ta 'twaħħil, veloċitajiet ta' vjaġġar baxxi ta '200 sa 800 mm/min huma preferuti.
L-akrilat b'viskożità medja ta '1500 mPa * s ġie applikat mal-ħajt tal-qalba tal-polimeru wiesa' 6 mm bl-użu ta 'pinzell tad-dożaġġ b'dijametru ta' ġewwa ta '0.84 mm u wisa' ta 'pinzell ta' 5 bi pressjoni applikata ta '0.3 sa 0.6 mbar. mm. Il-kolla mbagħad tinfirex fuq il-wiċċ tas-sottostrat u tifforma saff ta 'ħxuna ta' 1 mm minħabba tensjoni tal-wiċċ. Id-determinazzjoni eżatta tal-ħxuna tal-kolla għadha ma tistax tiġi awtomatizzata. It-tul tal-proċess huwa kriterju importanti għall-għażla ta 'kolla. L-istruttura tal-qalba prodotta hawnhekk għandha tul tal-binarju ta '26 m u għalhekk ħin ta' applikazzjoni ta '30 sa 60 minuta.
Wara li tapplika l-adeżiv, installa t-tieqa tal-ħġieġ doppju fil-post. Minħabba l-ħxuna baxxa tal-materjal, il-ħġieġ irqiq diġà huwa deformat bil-qawwa bil-piż tiegħu stess u għalhekk għandu jitqiegħed b'mod ugwali kemm jista 'jkun. Għal dan, jintużaw tazzi pnewmatiċi tal-ġbid tal-ħġieġ b'tazzi tal-ġbid imxerrda fil-ħin. Huwa mqiegħed fuq il-komponent bl-użu ta 'krejn, u fil-futur jista' jitqiegħed direttament bl-użu ta 'robots. Il-pjanċa tal-ħġieġ tqiegħdet parallel mal-wiċċ tal-qalba fuq is-saff li jwaħħal. Minħabba l-piż eħfef, pjanċa tal-ħġieġ addizzjonali (ħxuna ta '4 sa 6 mm) iżżid il-pressjoni fuqha.
Ir-riżultat għandu jkun tixrib sħiħ tal-wiċċ tal-ħġieġ tul l-istruttura tal-qalba, kif jista 'jiġi ġġudikat minn spezzjoni viżwali inizjali tad-differenzi viżibbli tal-kulur. Il-proċess ta 'applikazzjoni jista' wkoll ikollu impatt sinifikanti fuq il-kwalità tal-ġonta magħquda finali. Ladarba mwaħħla, il-pannelli tal-ħġieġ m'għandhomx jiġu mċaqalqa peress li dan jirriżulta f'residwu adeżiv viżibbli fuq il-ħġieġ u difetti fis-saff adeżiv attwali. Fl-aħħarnett, il-kolla hija vulkanizzata b'radjazzjoni UV f'wavelength ta '365 nm. Biex tagħmel dan, lampa UV b'densità ta 'qawwa ta' 6 mW/cm2 tiġi mgħoddija gradwalment fuq il-wiċċ kollu li jwaħħal għal 60 s.
Il-kunċett ta 'pannelli komposti tal-ħġieġ irqiq ħfief u customizable b'qalba tal-polimeru fabbrikata b'mod addittiv diskuss hawn huwa maħsub għall-użu fil-faċċati futuri. Għalhekk, pannelli komposti għandhom jikkonformaw mal-istandards applikabbli u jissodisfaw ir-rekwiżiti għall-istati tal-limitu tas-servizz (SLS), stati tal-limitu tas-saħħa aħħarija (ULS) u rekwiżiti ta 'sikurezza. Għalhekk, pannelli komposti għandhom ikunu sikuri, b'saħħithom, u iebes biżżejjed biex jifilħu tagħbijiet (bħal tagħbijiet tal-wiċċ) mingħajr tkissir jew deformazzjoni eċċessiva. Biex tinvestiga r-rispons mekkaniku ta 'pannelli komposti tal-ħġieġ irqiq fabbrikati qabel (kif deskritt fit-taqsima tal-Ittestjar Mekkaniku), kienu soġġetti għal testijiet tat-tagħbija tar-riħ kif deskritt fis-subtaqsima li jmiss.
L-iskop tal-ittestjar fiżiku huwa li jiġu studjati l-proprjetajiet mekkaniċi ta 'pannelli komposti ta' ħitan esterni taħt tagħbijiet tar-riħ. Għal dan il-għan, pannelli komposti li jikkonsistu minn folja ta 'barra tal-ħġieġ ittemprat sħiħ ta' 3 mm ħxuna u qalba fabbrikata b'mod addittiv ta '14 mm (minn PIPG-GF20) ġew iffabbrikati kif deskritt hawn fuq bl-użu ta' kolla Henkel Loctite AA 3345 (Fig. 7 xellug). )). . Il-pannelli komposti huma mbagħad imwaħħla mal-qafas ta 'appoġġ tal-injam b'viti tal-metall li huma misjuqa mill-qafas tal-injam u fil-ġnub tal-istruttura ewlenija. 30 viti tqiegħdu madwar il-perimetru tal-pannell (ara l-linja sewda fuq ix-xellug fil-Fig. 7) biex jirriproduċu l-kundizzjonijiet ta 'appoġġ lineari madwar il-perimetru kemm jista' jkun mill-qrib.
Il-qafas tat-test imbagħad ġie ssiġillat mal-ħajt tat-test ta 'barra billi applikat pressjoni tar-riħ jew ġbid tar-riħ wara l-pannell kompost (Figura 7, fuq il-lemin). Sistema ta' korrelazzjoni diġitali (DIC) tintuża biex tirreġistra d-dejta. Biex tagħmel dan, il-ħġieġ ta 'barra tal-pannell kompost huwa mgħotti b'folja elastika rqiqa stampata fuqha b'mudell ta' storbju pearline (Fig. 7, qiegħ il-lemin). DIC juża żewġ kameras biex jirreġistra l-pożizzjoni relattiva tal-punti kollha tal-kejl fuq il-wiċċ kollu tal-ħġieġ. Żewġ immaġini kull sekonda ġew irreġistrati u użati għall-evalwazzjoni. Il-pressjoni fil-kamra, imdawra minn pannelli komposti, tiżdied permezz ta 'fann f'żidiet ta' 1000 Pa sa valur massimu ta '4000 Pa, sabiex kull livell ta' tagħbija jinżamm għal 10 sekondi.
Is-setup fiżiku tal-esperiment huwa rappreżentat ukoll minn mudell numeriku bl-istess dimensjonijiet ġeometriċi. Għal dan, jintuża l-programm numeriku Ansys Mechanical. L-istruttura tal-qalba kienet malji ġeometriċi bl-użu ta 'elementi eżagonali SOLID 185 b'ġnub ta' 20 mm għall-ħġieġ u elementi tetraedriċi SOLID 187 b'ġnub ta '3 mm. Biex tissimplifika l-immudellar, f'dan l-istadju tal-istudju, huwa preżunt hawnhekk li l-akrilat użat huwa idealment riġidu u rqiq, u huwa definit bħala rabta riġida bejn il-ħġieġ u l-materjal tal-qalba.
Il-pannelli komposti huma ffissati f'linja dritta barra mill-qalba, u l-pannell tal-ħġieġ huwa soġġett għal tagħbija ta 'pressjoni tal-wiċċ ta' 4000 Pa. Għalkemm ġew ikkunsidrati nonlinearities ġeometriċi fl-immudellar, intużaw biss mudelli ta 'materjal lineari f'dan l-istadju tal- studju. Għalkemm din hija suppożizzjoni valida għar-rispons elastiku lineari tal-ħġieġ (E = 70,000 MPa), skont il-folja tad-dejta tal-manifattur tal-materjal tal-qalba polimeriku (viskoelastiku) [17], l-ebusija lineari E = 8245 MPa intużat f' l-analiżi attwali għandha tiġi kkunsidrata b'mod rigoruż u se tiġi studjata f'riċerka futura.
Ir-riżultati ppreżentati hawnhekk huma evalwati prinċipalment għal deformazzjonijiet f'tagħbijiet massimi tar-riħ sa 4000 Pa (=ˆ4kN/m2). Għal dan, l-immaġini rreġistrati bil-metodu DIC tqabblu mar-riżultati ta 'simulazzjoni numerika (FEM) (Fig. 8, qiegħ il-lemin). Filwaqt li strain totali ideali ta '0 mm b'appoġġi lineari "ideali" fir-reġjun tat-tarf (jiġifieri, perimetru tal-pannell) huwa kkalkulat fil-FEM, l-ispostament fiżiku tar-reġjun tat-tarf għandu jitqies meta jiġi evalwat id-DIC. Dan huwa dovut għal tolleranzi ta 'installazzjoni u deformazzjoni tal-qafas tat-test u s-siġilli tiegħu. Għat-tqabbil, l-ispostament medju fir-reġjun tat-tarf (linja bajda mdawra f'Fig. 8) ġie mnaqqas mill-ispostament massimu fiċ-ċentru tal-pannell. L-ispostamenti ddeterminati minn DIC u FEA huma mqabbla fit-Tabella 1 u huma murija b'mod grafiku fir-rokna tax-xellug ta 'fuq tal-Fig.
L-erba 'livelli ta' tagħbija applikati tal-mudell sperimentali ntużaw bħala punti ta 'kontroll għall-evalwazzjoni u evalwati fil-FEM. L-ispostament ċentrali massimu tal-pjanċa kompost fl-istat mhux mgħobbi kien iddeterminat minn kejl DIC f'livell ta 'tagħbija ta' 4000 Pa f'2.18 mm. Filwaqt li l-ispostamenti tal-FEA f'tagħbijiet aktar baxxi (sa 2000 Pa) xorta jistgħu jirriproduċu b'mod preċiż il-valuri sperimentali, iż-żieda mhux lineari tar-razza f'tagħbijiet ogħla ma tistax tiġi kkalkulata b'mod preċiż.
Madankollu, studji wrew li pannelli komposti jistgħu jifilħu tagħbijiet estremi tar-riħ. Ir-riġidità għolja tal-pannelli ħfief tispikka b'mod partikolari. Bl-użu ta 'kalkoli analitiċi bbażati fuq it-teorija lineari tal-pjanċi Kirchhoff [20], deformazzjoni ta' 2.18 mm f'4000 Pa tikkorrispondi għad-deformazzjoni ta 'pjanċa tal-ħġieġ waħda ħoxna ta' 12 mm taħt l-istess kundizzjonijiet tal-konfini. Bħala riżultat, il-ħxuna tal-ħġieġ (li hija intensiva fl-enerġija fil-produzzjoni) f'dan il-pannell kompost tista 'titnaqqas għal ħġieġ ta' 2 x 3mm, li jirriżulta f'iffrankar ta 'materjal ta' 50%. It-tnaqqis tal-piż ġenerali tal-pannell jipprovdi benefiċċji addizzjonali f'termini ta 'assemblaġġ. Filwaqt li panel kompost ta '30 kg jista' faċilment jiġi mmaniġġjat minn żewġ persuni, panel tal-ħġieġ tradizzjonali ta '50 kg jeħtieġ appoġġ tekniku biex jimxi b'mod sikur. Sabiex tirrappreżenta b'mod preċiż l-imġiba mekkanika, se jkunu meħtieġa mudelli numeriċi aktar dettaljati fi studji futuri. L-analiżi tal-elementi finiti tista 'tittejjeb aktar b'mudelli ta' materjali mhux lineari aktar estensivi għal polimeri u mmudellar ta 'bonds adeżivi.
L-iżvilupp u t-titjib tal-proċessi diġitali għandhom rwol ewlieni fit-titjib tal-prestazzjoni ekonomika u ambjentali fl-industrija tal-kostruzzjoni. Barra minn hekk, l-użu ta 'ħġieġ irqiq fil-faċċati jwiegħed iffrankar ta' enerġija u riżorsi u jiftaħ possibbiltajiet ġodda għall-arkitettura. Madankollu, minħabba l-ħxuna żgħira tal-ħġieġ, huma meħtieġa soluzzjonijiet ta 'disinn ġodda biex isaħħu b'mod adegwat il-ħġieġ. Għalhekk, l-istudju ppreżentat f'dan l-artikolu jesplora l-kunċett ta 'pannelli komposti magħmula minn ħġieġ irqiq u strutturi tal-qalba tal-polimeru stampati 3D rinfurzati magħqudin. Il-proċess kollu tal-produzzjoni mid-disinn sal-produzzjoni ġie diġitizzat u awtomatizzat. Bl-għajnuna ta 'Grasshopper, ġie żviluppat fluss tax-xogħol mill-fajl għall-fabbrika biex jippermetti l-użu ta' pannelli komposti tal-ħġieġ irqiq fil-faċċati futuri.
Il-produzzjoni tal-ewwel prototip uriet il-fattibilità u l-isfidi tal-manifattura robotika. Filwaqt li l-manifattura addittiva u sottrattiva diġà huma integrati sew, l-applikazzjoni u l-assemblaġġ tal-adeżivi kompletament awtomatizzati b'mod partikolari jippreżentaw sfidi addizzjonali li għandhom jiġu indirizzati fir-riċerka futura. Permezz ta 'ttestjar mekkaniku preliminari u mmudellar ta' riċerka ta 'elementi finiti assoċjati, intwera li pannelli ħfief u rqaq tal-fibreglass jipprovdu ebusija suffiċjenti tal-liwi għall-applikazzjonijiet intenzjonati tal-faċċata tagħhom, anke taħt kundizzjonijiet estremi tat-tagħbija tar-riħ. Ir-riċerka kontinwa tal-awturi se tesplora aktar il-potenzjal ta 'pannelli komposti tal-ħġieġ irqiq iffabbrikati b'mod diġitali għall-applikazzjonijiet tal-faċċata u turi l-effettività tagħhom.
L-awturi jixtiequ jirringrazzjaw lill-partitarji kollha assoċjati ma' dan ix-xogħol ta' riċerka. Grazzi għall-programm ta’ finanzjament EFRE SAB iffinanzjat minn fondi tal-Unjoni Ewropea fil-forma ta’ għotja Nru biex jiġu pprovduti riżorsi finanzjarji għax-xiri ta’ manipulatur b’estrużur u apparat ta’ tħin. 100537005. Barra minn hekk, AiF-ZIM ġie rikonoxxut għall-finanzjament tal-proġett ta 'riċerka Glasfur3D (numru ta' għotja ZF4123725WZ9) b'kollaborazzjoni ma 'Glaswerkstätten Glas Ahne, li pprovda appoġġ sinifikanti għal dan ix-xogħol ta' riċerka. Fl-aħħarnett, il-Laboratorju Friedrich Siemens u l-kollaboraturi tiegħu, speċjalment Felix Hegewald u l-assistent tal-istudenti Jonathan Holzerr, jirrikonoxxu l-appoġġ tekniku u l-implimentazzjoni tal-fabbrikazzjoni u l-ittestjar fiżiku li ffurmaw il-bażi għal dan id-dokument.