Prototipi di pannelli compositi per facciate in vetro sottile fabbricati digitalmente

L'uso del vetro sottile promette di svolgere diversi compiti nel settore edile. Oltre ai vantaggi ambientali derivanti da un utilizzo più efficiente delle risorse, gli architetti possono utilizzare il vetro sottile per raggiungere nuovi livelli di libertà progettuale. Sulla base della teoria del sandwich, il vetro sottile flessibile può essere combinato con un nucleo polimerico a celle aperte stampato in 3D per formare un vetro molto rigido e leggero elementi compositi. Questo articolo presenta un tentativo esplorativo di fabbricazione digitale di sottili pannelli per facciate in composito di vetro utilizzando robot industriali. Spiega il concetto di digitalizzazione dei flussi di lavoro da fabbrica a fabbrica, tra cui la progettazione assistita da computer (CAD), l'ingegneria (CAE) e la produzione (CAM). Lo studio dimostra un processo di progettazione parametrica che consente la perfetta integrazione degli strumenti di analisi digitale.
Inoltre, questo processo dimostra il potenziale e le sfide della produzione digitale di pannelli compositi in vetro sottile. Qui vengono spiegate alcune delle fasi di produzione eseguite da un braccio robotico industriale, come la produzione additiva di grande formato, la lavorazione delle superfici, i processi di incollaggio e assemblaggio. Infine, per la prima volta, è stata ottenuta una profonda comprensione delle proprietà meccaniche dei pannelli compositi attraverso studi sperimentali e numerici e la valutazione delle proprietà meccaniche dei pannelli compositi sottoposti a carico superficiale. Il concetto generale di progettazione digitale e flusso di lavoro di fabbricazione, nonché i risultati di studi sperimentali, forniscono una base per un'ulteriore integrazione dei metodi di definizione e analisi della forma, nonché per condurre studi meccanicistici approfonditi negli studi futuri.
I metodi di produzione digitale ci consentono di migliorare la produzione trasformando i metodi tradizionali e fornendo nuove possibilità di progettazione [1]. I metodi di costruzione tradizionali tendono ad abusare dei materiali in termini di costi, geometria di base e sicurezza. Spostando la costruzione nelle fabbriche, utilizzando la prefabbricazione modulare e la robotica per implementare nuovi metodi di progettazione, i materiali possono essere utilizzati in modo efficiente senza compromettere la sicurezza. La produzione digitale ci consente di espandere la nostra immaginazione progettuale per creare forme geometriche più diversificate, efficienti e ambiziose. Mentre i processi di progettazione e calcolo sono stati in gran parte digitalizzati, la produzione e l’assemblaggio vengono ancora in gran parte eseguiti a mano secondo metodi tradizionali. Per far fronte a strutture a forma libera sempre più complesse, i processi di produzione digitale stanno diventando sempre più importanti. Il desiderio di libertà e flessibilità progettuale, soprattutto quando si tratta di facciate, è in costante crescita. Oltre all'effetto visivo, le facciate a forma libera consentono anche di creare strutture più efficienti, ad esempio attraverso l'uso di effetti a membrana [2]. Inoltre, il grande potenziale dei processi di produzione digitale risiede nella loro efficienza e nella possibilità di ottimizzazione della progettazione.
Questo articolo esplora come la tecnologia digitale può essere utilizzata per progettare e produrre un innovativo pannello composito per facciata costituito da un nucleo polimerico fabbricato in modo additivo e pannelli esterni in vetro sottile incollati. Oltre alle nuove possibilità architettoniche associate all'uso del vetro sottile, anche i criteri ambientali ed economici sono stati motivazioni importanti per utilizzare meno materiale per costruire l'involucro dell'edificio. Con il cambiamento climatico, la scarsità delle risorse e l’aumento dei prezzi dell’energia in futuro, il vetro dovrà essere utilizzato in modo più intelligente. L'utilizzo di vetro sottile di spessore inferiore a 2 mm proveniente dall'industria elettronica rende la facciata leggera e riduce l'utilizzo di materie prime.
Grazie all’elevata flessibilità del vetro sottile, apre nuove possibilità per applicazioni architettoniche e allo stesso tempo pone nuove sfide ingegneristiche [3,4,5,6]. Sebbene l’attuale realizzazione di progetti di facciate con vetro sottile sia limitata, il vetro sottile viene sempre più utilizzato negli studi di ingegneria civile e architettura. A causa dell’elevata capacità del vetro sottile alla deformazione elastica, il suo utilizzo nelle facciate richiede soluzioni strutturali rinforzate [7]. Oltre a sfruttare l'effetto membrana dovuto alla geometria curva [8], il momento d'inerzia può essere aumentato anche mediante una struttura multistrato costituita da un nucleo polimerico e da una sottile lastra esterna di vetro incollata. Questo approccio si è rivelato promettente grazie all'uso di un nucleo in policarbonato duro e trasparente, meno denso del vetro. Oltre all'azione meccanica positiva, sono stati soddisfatti ulteriori criteri di sicurezza [9].
L'approccio nel seguente studio si basa sullo stesso concetto, ma utilizzando un nucleo traslucido a poro aperto fabbricato in modo additivo. Ciò garantisce un maggiore grado di libertà geometrica e possibilità progettuali, nonché l’integrazione delle funzioni fisiche dell’edificio [10]. Tali pannelli compositi si sono dimostrati particolarmente efficaci nei test meccanici [11] e promettono di ridurre la quantità di vetro utilizzato fino all'80%. Ciò non solo ridurrà le risorse necessarie, ma ridurrà anche significativamente il peso dei pannelli, aumentando così l'efficienza della sottostruttura. Ma nuove forme di costruzione richiedono nuove forme di produzione. Strutture efficienti richiedono processi produttivi efficienti. Il design digitale contribuisce alla produzione digitale. Questo articolo continua la precedente ricerca dell'autore presentando uno studio del processo di produzione digitale di pannelli compositi in vetro sottile per robot industriali. L’attenzione è rivolta alla digitalizzazione del flusso di lavoro dal file alla fabbrica dei primi prototipi di grande formato per aumentare l’automazione del processo di produzione.
Il pannello composito (Figura 1) è costituito da due sottili strati sovrapposti di vetro avvolti attorno a un nucleo in polimero AM. Le due parti sono collegate con la colla. Lo scopo di questo progetto è distribuire il carico sull'intera sezione nel modo più efficiente possibile. I momenti flettenti creano tensioni normali nel guscio. Le forze laterali causano sollecitazioni di taglio nel nucleo e nei giunti adesivi.
Lo strato esterno della struttura a sandwich è realizzato in vetro sottile. In linea di principio verrà utilizzato il vetro silicato sodico-calcico. Con uno spessore target < 2 mm, il processo di tempra termica raggiunge l'attuale limite tecnologico. Il vetro alluminosilicato rinforzato chimicamente può essere considerato particolarmente adatto se è richiesta una resistenza maggiore a causa della progettazione (ad esempio pannelli piegati a freddo) o dell'uso [12]. Le funzioni di trasmissione della luce e di protezione ambientale saranno integrate da buone proprietà meccaniche come una buona resistenza ai graffi e un modulo di Young relativamente alto rispetto ad altri materiali utilizzati nei compositi. A causa delle dimensioni limitate disponibili per il vetro sottile temprato chimicamente, per creare il primo prototipo su larga scala sono stati utilizzati pannelli di vetro sodo-calcico completamente temperato da 3 mm di spessore.
La struttura portante è considerata come una parte sagomata del pannello composito. Quasi tutti gli attributi ne sono influenzati. Grazie al metodo di produzione additiva, è anche il centro del processo di produzione digitale. I materiali termoplastici vengono lavorati tramite fusione. Ciò rende possibile utilizzare un gran numero di polimeri diversi per applicazioni specifiche. La topologia degli elementi principali può essere progettata con enfasi diversa a seconda della loro funzione. A questo scopo, la progettazione della forma può essere suddivisa nelle seguenti quattro categorie di progettazione: progettazione strutturale, progettazione funzionale, progettazione estetica e progettazione della produzione. Ogni categoria può avere scopi diversi, il che può portare a topologie diverse.
Durante lo studio preliminare, alcuni dei progetti principali sono stati testati per verificarne l'idoneità [11]. Dal punto di vista meccanico, la superficie centrale minima a tre periodi del giroscopio è particolarmente efficace. Ciò fornisce un'elevata resistenza meccanica alla flessione con un consumo di materiale relativamente basso. Oltre alle strutture di base cellulari riprodotte nelle regioni superficiali, la topologia può essere generata anche mediante altre tecniche di ricerca della forma. La generazione della linea di sollecitazione è uno dei modi possibili per ottimizzare la rigidezza con il minor peso possibile [13]. Tuttavia, la struttura a nido d'ape, ampiamente utilizzata nelle costruzioni sandwich, è stata utilizzata come punto di partenza per lo sviluppo della linea di produzione. Questa forma base porta a rapidi progressi nella produzione, soprattutto attraverso una facile programmazione del percorso utensile. Il suo comportamento nei pannelli compositi è stato ampiamente studiato [14, 15, 16] e l'aspetto può essere modificato in molti modi attraverso la parametrizzazione e può anche essere utilizzato per concetti di ottimizzazione iniziali.
Sono molti i polimeri termoplastici da considerare nella scelta di un polimero, a seconda del processo di estrusione utilizzato. Gli studi preliminari iniziali sui materiali su piccola scala hanno ridotto il numero di polimeri considerati idonei per l’uso nelle facciate [11]. Il policarbonato (PC) è promettente grazie alla sua resistenza al calore, ai raggi UV e all'elevata rigidità. A causa degli ulteriori investimenti tecnici e finanziari necessari per la lavorazione del policarbonato, per produrre i primi prototipi è stato utilizzato il polietilene tereftalato modificato con glicole etilenico (PETG). È particolarmente facile da lavorare a temperature relativamente basse con un basso rischio di stress termico e deformazione dei componenti. Il prototipo mostrato qui è realizzato in PETG riciclato chiamato PIPG. Il materiale è stato preliminarmente essiccato a 60°C per almeno 4 ore e trasformato in granuli con un contenuto di fibra di vetro pari al 20% [17].
L'adesivo fornisce un forte legame tra la struttura centrale in polimero e il sottile coperchio in vetro. Quando i pannelli compositi sono soggetti a carichi di flessione, i giunti adesivi sono soggetti a sollecitazioni di taglio. Pertanto, è preferibile un adesivo più duro che può ridurre la deflessione. Gli adesivi trasparenti contribuiscono inoltre a fornire un'elevata qualità visiva se incollati su vetro trasparente. Un altro fattore importante nella scelta di un adesivo è la producibilità e l'integrazione nei processi di produzione automatizzati. Qui gli adesivi a polimerizzazione UV con tempi di polimerizzazione flessibili possono semplificare notevolmente il posizionamento degli strati di copertura. Sulla base di test preliminari, è stata testata l'idoneità di una serie di adesivi per pannelli compositi in vetro sottile [18]. L'acrilato polimerizzabile con raggi UV Loctite® AA 3345™ [19] si è rivelato particolarmente adatto per il processo successivo.
Per sfruttare le possibilità della produzione additiva e la flessibilità del vetro sottile, l’intero processo è stato progettato per funzionare in modo digitale e parametrico. Grasshopper viene utilizzato come interfaccia di programmazione visiva, evitando interfacce tra programmi diversi. Tutte le discipline (ingegneria, ingegneria e produzione) si supporteranno e si completeranno a vicenda in un unico file con feedback diretto da parte dell'operatore. In questa fase dello studio, il flusso di lavoro è ancora in fase di sviluppo e segue lo schema mostrato nella Figura 2. I diversi obiettivi possono essere raggruppati in categorie all'interno delle discipline.
Sebbene la produzione dei pannelli sandwich in questo documento sia stata automatizzata con una progettazione incentrata sull'utente e una preparazione alla fabbricazione, l'integrazione e la convalida dei singoli strumenti ingegneristici non sono state completamente realizzate. Sulla base della progettazione parametrica della geometria della facciata, è possibile progettare l'involucro esterno dell'edificio a livello macro (facciata) e meso (pannelli di facciata). Nella seconda fase, il ciclo di feedback ingegneristico mira a valutare la sicurezza, l'idoneità nonché la fattibilità della fabbricazione di facciate continue. Infine, i pannelli risultanti sono pronti per la produzione digitale. Il programma elabora la struttura centrale sviluppata in codice G leggibile dalla macchina e la prepara per la produzione additiva, la post-elaborazione sottrattiva e l'incollaggio del vetro.
Il processo di progettazione è considerato a due diversi livelli. Oltre al fatto che la forma macro delle facciate influisce sulla geometria di ciascun pannello composito, la topologia del nucleo stesso può essere progettata anche a livello meso. Quando si utilizza un modello di facciata parametrico, la forma e l'aspetto possono essere influenzati dalle sezioni di facciata di esempio utilizzando i cursori mostrati nella Figura 3. Pertanto, la superficie totale è costituita da una superficie scalabile definita dall'utente che può essere deformata utilizzando attrattori puntiformi e modificata da specificando il grado minimo e massimo di deformazione. Ciò fornisce un elevato grado di flessibilità nella progettazione degli involucri edilizi. Questo grado di libertà è però limitato da vincoli tecnici e produttivi, che vengono poi sfruttati dagli algoritmi nella parte ingegneristica.
Oltre all'altezza e alla larghezza dell'intera facciata viene determinata anche la suddivisione dei pannelli della facciata. Per quanto riguarda i singoli pannelli della facciata, questi possono essere definiti con maggiore precisione a livello meso. Ciò influisce sulla topologia della struttura centrale stessa, nonché sullo spessore del vetro. Queste due variabili, così come la dimensione del pannello, hanno una relazione importante con la modellazione dell'ingegneria meccanica. La progettazione e lo sviluppo dell'intero livello macro e meso possono essere effettuati in termini di ottimizzazione nelle quattro categorie di struttura, funzione, estetica e design del prodotto. Gli utenti possono sviluppare l'aspetto generale dell'involucro dell'edificio dando priorità a queste aree.
Il progetto è supportato dalla parte ingegneristica tramite un circuito di feedback. A tal fine, nella categoria di ottimizzazione mostrata nella Figura 2 vengono definiti obiettivi e condizioni al contorno. Essi forniscono corridoi tecnicamente fattibili, fisicamente solidi e sicuri da costruire da un punto di vista ingegneristico, che hanno un impatto significativo sulla progettazione. Questo è il punto di partenza per vari strumenti che possono essere integrati direttamente in Grasshopper. In ulteriori indagini, le proprietà meccaniche possono essere valutate utilizzando l'analisi degli elementi finiti (FEM) o anche calcoli analitici.
Inoltre, gli studi sulla radiazione solare, l’analisi della linea di vista e la modellazione della durata della luce solare possono valutare l’impatto dei pannelli compositi sulla fisica degli edifici. È importante non limitare eccessivamente la velocità, l’efficienza e la flessibilità del processo di progettazione. Pertanto, i risultati qui ottenuti sono stati progettati per fornire ulteriore guida e supporto al processo di progettazione e non sostituiscono l'analisi dettagliata e la giustificazione alla fine del processo di progettazione. Questo piano strategico getta le basi per ulteriori ricerche categoriche per risultati comprovati. Ad esempio, si sa ancora poco sul comportamento meccanico dei pannelli compositi in varie condizioni di carico e supporto.
Una volta completate la progettazione e l'ingegnerizzazione, il modello è pronto per la produzione digitale. Il processo produttivo è suddiviso in quattro sottofasi (Fig. 4). Innanzitutto, la struttura principale è stata fabbricata in modo additivo utilizzando un impianto di stampa 3D robotizzato su larga scala. La superficie viene poi fresata utilizzando lo stesso sistema robotizzato per migliorare la qualità superficiale necessaria per un buon incollaggio. Dopo la fresatura, l'adesivo viene applicato lungo la struttura del nucleo utilizzando un sistema di dosaggio appositamente progettato montato sullo stesso sistema robotizzato utilizzato per il processo di stampa e fresatura. Infine, il vetro viene installato e posato prima della polimerizzazione UV del giunto incollato.
Per la produzione additiva, la topologia definita della struttura sottostante deve essere tradotta nel linguaggio macchina CNC (GCode). Per risultati uniformi e di alta qualità, l'obiettivo è stampare ogni strato senza che l'ugello dell'estrusore cada. Ciò impedisce una sovrapressione indesiderata all'inizio e alla fine del movimento. Pertanto, è stato scritto uno script di generazione continua della traiettoria per il modello di cella utilizzato. Ciò creerà una polilinea continua parametrica con gli stessi punti iniziale e finale, che si adatta alla dimensione del pannello selezionato, al numero e alla dimensione dei favi come da progetto. Inoltre, parametri quali larghezza e altezza della linea possono essere specificati prima della posa delle linee per ottenere l'altezza desiderata della struttura principale. Il passaggio successivo nello script è scrivere i comandi del codice G.
Ciò viene fatto registrando le coordinate di ciascun punto sulla linea con informazioni aggiuntive sulla macchina come altri assi rilevanti per il posizionamento e il controllo del volume di estrusione. Il codice G risultante può quindi essere trasferito alle macchine di produzione. In questo esempio, un braccio robotico industriale Comau NJ165 su un binario lineare viene utilizzato per controllare un estrusore CEAD E25 secondo il codice G (Figura 5). Il primo prototipo utilizzava PETG postindustriale con un contenuto di fibra di vetro del 20%. In termini di test meccanici, la dimensione target è vicina a quella del settore edile, quindi le dimensioni dell’elemento principale sono 1983 × 876 mm con celle a nido d’ape 6 × 4. 6 mm e 2 mm di altezza.
Test preliminari hanno dimostrato che esiste una differenza nella forza adesiva tra l’adesivo e la resina per stampa 3D a seconda delle sue proprietà superficiali. Per fare ciò, i campioni di prova della produzione additiva vengono incollati o laminati sul vetro e sottoposti a tensione o taglio. Durante la lavorazione meccanica preliminare della superficie del polimero mediante fresatura, la resistenza è aumentata significativamente (Fig. 6). Inoltre, migliora la planarità del nucleo e previene i difetti causati dalla sovraestrusione. L'acrilato LOCTITE® AA 3345™ [19] polimerizzabile con raggi UV qui utilizzato è sensibile alle condizioni di lavorazione.
Ciò spesso si traduce in una deviazione standard più elevata per i campioni di test di adesione. Dopo la produzione additiva, la struttura del nucleo è stata fresata su una fresatrice per profili. Il codice G richiesto per questa operazione viene generato automaticamente dai percorsi utensile già creati per il processo di stampa 3D. La struttura del nucleo deve essere stampata leggermente più in alto dell'altezza del nucleo prevista. In questo esempio, la struttura centrale spessa 18 mm è stata ridotta a 14 mm.
Questa parte del processo di produzione rappresenta una sfida importante per l’automazione completa. L'uso di adesivi pone elevati requisiti in termini di accuratezza e precisione delle macchine. Il sistema di dosaggio pneumatico viene utilizzato per applicare l'adesivo lungo la struttura del nucleo. Viene guidato dal robot lungo la superficie di fresatura secondo il percorso utensile definito. Risulta particolarmente vantaggioso sostituire la tradizionale punta erogatrice con un pennellino. Ciò consente di distribuire uniformemente gli adesivi a bassa viscosità in termini di volume. Questa quantità è determinata dalla pressione nel sistema e dalla velocità del robot. Per una maggiore precisione e un'elevata qualità di incollaggio si preferiscono velocità di traslazione basse da 200 a 800 mm/min.
Sulla parete del nucleo polimerico larga 6 mm è stato applicato acrilato con una viscosità media di 1500 mPa*s utilizzando una spazzola dosatrice con un diametro interno di 0,84 mm e una larghezza della spazzola di 5 con una pressione applicata compresa tra 0,3 e 0,6 mbar. mm. L'adesivo viene quindi steso sulla superficie del supporto e forma uno strato spesso 1 mm per effetto della tensione superficiale. La determinazione esatta dello spessore dell'adesivo non può ancora essere automatizzata. La durata del processo è un criterio importante per la scelta di un adesivo. La struttura centrale qui prodotta ha una lunghezza della pista di 26 me quindi un tempo di applicazione da 30 a 60 minuti.
Dopo aver applicato l'adesivo, installare la finestra con doppio vetro in posizione. A causa dello spessore ridotto del materiale, il vetro sottile è già fortemente deformato dal proprio peso e deve quindi essere posizionato nel modo più uniforme possibile. Per questo vengono utilizzate ventose pneumatiche per vetro con ventose a dispersione temporale. Viene posizionato sul componente tramite una gru e in futuro potrebbe essere posizionato direttamente tramite robot. La lastra di vetro è stata posizionata parallelamente alla superficie del nucleo sullo strato adesivo. A causa del peso più leggero, una lastra di vetro aggiuntiva (da 4 a 6 mm di spessore) aumenta la pressione su di essa.
Il risultato dovrebbe essere una bagnatura completa della superficie del vetro lungo la struttura centrale, come si può giudicare da un primo esame visivo delle differenze di colore visibili. Il processo di applicazione può anche avere un impatto significativo sulla qualità del giunto incollato finale. Una volta incollati, i pannelli di vetro non devono essere spostati poiché ciò comporterebbe residui di adesivo visibili sul vetro e difetti nello strato adesivo stesso. Infine, l'adesivo viene polimerizzato con raggi UV alla lunghezza d'onda di 365 nm. A tale scopo, una lampada UV con una densità di potenza di 6 mW/cm2 viene fatta passare gradualmente per 60 s sull'intera superficie adesiva.
Il concetto di pannelli compositi in vetro sottile leggeri e personalizzabili con nucleo polimerico fabbricato in modo additivo discusso qui è destinato all’uso nelle facciate future. Pertanto, i pannelli compositi devono essere conformi agli standard applicabili e soddisfare i requisiti per gli stati limite di servizio (SLS), gli stati limite di resistenza ultima (ULS) e i requisiti di sicurezza. Pertanto, i pannelli compositi devono essere sicuri, resistenti e sufficientemente rigidi da resistere ai carichi (come i carichi superficiali) senza rompersi o deformarsi eccessivamente. Per studiare la risposta meccanica dei pannelli compositi in vetro sottile precedentemente fabbricati (come descritto nella sezione Prove meccaniche), sono stati sottoposti a prove di carico del vento come descritto nella sottosezione successiva.
Lo scopo dei test fisici è studiare le proprietà meccaniche dei pannelli compositi delle pareti esterne sotto carichi di vento. A tal fine, sono stati fabbricati pannelli compositi costituiti da una lastra esterna interamente in vetro temperato di 3 mm di spessore e un nucleo realizzato in modo additivo di 14 mm di spessore (da PIPG-GF20) come descritto sopra utilizzando l'adesivo Henkel Loctite AA 3345 (Fig. 7 a sinistra). )). . I pannelli compositi vengono quindi fissati al telaio di supporto in legno con viti metalliche che vengono inserite attraverso il telaio in legno e nei lati della struttura principale. Lungo il perimetro del pannello sono state posizionate 30 viti (vedi linea nera a sinistra in Fig. 7) per riprodurre il più fedelmente possibile le condizioni lineari di appoggio attorno al perimetro.
Il telaio di prova è stato quindi sigillato alla parete di prova esterna applicando la pressione del vento o l'aspirazione del vento dietro il pannello composito (Figura 7, in alto a destra). Per registrare i dati viene utilizzato un sistema di correlazione digitale (DIC). Per fare ciò, il vetro esterno del pannello composito viene ricoperto da un sottile foglio elastico su cui è stampato un motivo perline noise (Fig. 7, in basso a destra). Il DIC utilizza due telecamere per registrare la posizione relativa di tutti i punti di misurazione sull'intera superficie del vetro. Sono state registrate due immagini al secondo e utilizzate per la valutazione. La pressione nella camera, circondata da pannelli compositi, viene aumentata tramite un ventilatore con incrementi di 1000 Pa fino ad un valore massimo di 4000 Pa, in modo che ogni livello di carico venga mantenuto per 10 secondi.
L'apparato fisico dell'esperimento è rappresentato anche da un modello numerico con le stesse dimensioni geometriche. Per questo viene utilizzato il programma numerico Ansys Mechanical. La struttura centrale era una maglia geometrica utilizzando elementi esagonali SOLID 185 con lati da 20 mm per il vetro ed elementi tetraedrici SOLID 187 con lati da 3 mm. Per semplificare la modellazione, in questa fase dello studio, si presuppone che l'acrilato utilizzato sia idealmente rigido e sottile, e sia definito come un legame rigido tra il vetro e il materiale del nucleo.
I pannelli compositi sono fissati in linea retta all'esterno del nucleo e il pannello di vetro è soggetto a un carico di pressione superficiale di 4000 Pa. Sebbene nella modellazione siano state prese in considerazione le non linearità geometriche, in questa fase del progetto sono stati utilizzati solo modelli di materiali lineari studio. Sebbene questo sia un presupposto valido per la risposta elastica lineare del vetro (E = 70.000 MPa), secondo la scheda tecnica del produttore del materiale del nucleo polimerico (viscoelastico) [17], la rigidità lineare E = 8245 MPa è stata utilizzata in l'analisi attuale dovrebbe essere considerata rigorosamente e sarà studiata nella ricerca futura.
I risultati qui presentati sono valutati principalmente per deformazioni con carichi di vento massimi fino a 4000 Pa (=ˆ4kN/m2). Per questo, le immagini registrate con il metodo DIC sono state confrontate con i risultati della simulazione numerica (FEM) (Fig. 8, in basso a destra). Mentre nel FEM viene calcolata una deformazione totale ideale di 0 mm con supporti lineari “ideali” nella regione del bordo (cioè il perimetro del pannello), lo spostamento fisico della regione del bordo deve essere preso in considerazione quando si valuta il DIC. Ciò è dovuto alle tolleranze di installazione e alla deformazione del telaio di prova e delle sue guarnizioni. Per confronto, lo spostamento medio nella regione del bordo (linea bianca tratteggiata nella Fig. 8) è stato sottratto dallo spostamento massimo al centro del pannello. Gli spostamenti determinati da DIC e FEA sono confrontati nella Tabella 1 e sono mostrati graficamente nell'angolo in alto a sinistra della Fig. 8.
I quattro livelli di carico applicato del modello sperimentale sono stati utilizzati come punti di controllo per la valutazione e valutati nel FEM. Lo spostamento centrale massimo della piastra composita nello stato senza carico è stato determinato mediante misurazioni DIC ad un livello di carico di 4000 Pa a 2,18 mm. Mentre gli spostamenti FEA a carichi inferiori (fino a 2000 Pa) possono ancora riprodurre accuratamente i valori sperimentali, l’aumento non lineare della deformazione a carichi più elevati non può essere calcolato con precisione.
Tuttavia, gli studi hanno dimostrato che i pannelli compositi possono resistere a carichi di vento estremi. Spicca in particolare l'elevata rigidità dei pannelli leggeri. Utilizzando calcoli analitici basati sulla teoria lineare delle lastre di Kirchhoff [20], una deformazione di 2,18 mm a 4000 Pa corrisponde alla deformazione di una singola lastra di vetro di 12 mm di spessore nelle stesse condizioni al contorno. Di conseguenza, lo spessore del vetro (che consuma molta energia nella produzione) in questo pannello composito può essere ridotto a 2 x 3 mm, con un conseguente risparmio di materiale del 50%. La riduzione del peso complessivo del pannello offre ulteriori vantaggi in termini di assemblaggio. Mentre un pannello composito da 30 kg può essere facilmente movimentato da due persone, un tradizionale pannello in vetro da 50 kg richiede supporto tecnico per essere spostato in sicurezza. Per poter rappresentare con precisione il comportamento meccanico, negli studi futuri saranno necessari modelli numerici più dettagliati. L'analisi degli elementi finiti può essere ulteriormente migliorata con modelli di materiali non lineari più estesi per polimeri e modelli di legami adesivi.
Lo sviluppo e il miglioramento dei processi digitali svolgono un ruolo chiave nel miglioramento delle prestazioni economiche e ambientali nel settore delle costruzioni. Inoltre, l’uso del vetro sottile nelle facciate promette un risparmio energetico e di risorse e apre nuove possibilità per l’architettura. Tuttavia, a causa del ridotto spessore del vetro, sono necessarie nuove soluzioni progettuali per rinforzare adeguatamente il vetro. Pertanto, lo studio presentato in questo articolo esplora il concetto di pannelli compositi realizzati con vetro sottile e strutture centrali polimeriche stampate in 3D rinforzate. L'intero processo produttivo, dalla progettazione alla produzione, è stato digitalizzato e automatizzato. Con l'aiuto di Grasshopper, è stato sviluppato un flusso di lavoro dal file alla fabbrica per consentire l'uso di pannelli compositi in vetro sottile nelle future facciate.
La produzione del primo prototipo ha dimostrato la fattibilità e le sfide della produzione robotica. Sebbene la produzione additiva e sottrattiva siano già ben integrate, l’applicazione e l’assemblaggio di adesivi completamente automatizzati, in particolare, presentano ulteriori sfide da affrontare nella ricerca futura. Attraverso test meccanici preliminari e la relativa modellazione di ricerca sugli elementi finiti, è stato dimostrato che i pannelli in fibra di vetro leggeri e sottili forniscono una rigidità alla flessione sufficiente per le applicazioni previste per le facciate, anche in condizioni di carico di vento estremo. La ricerca in corso degli autori esplorerà ulteriormente il potenziale dei pannelli compositi in vetro sottile fabbricati digitalmente per applicazioni su facciate e ne dimostrerà l'efficacia.
Gli autori desiderano ringraziare tutti i sostenitori associati a questo lavoro di ricerca. Grazie al programma di finanziamento EFRE SAB finanziato dai fondi dell'Unione Europea sotto forma di sovvenzione n. per fornire risorse finanziarie per l'acquisto di un manipolatore con estrusore e dispositivo di fresatura. 100537005. Inoltre, AiF-ZIM è stato riconosciuto per aver finanziato il progetto di ricerca Glasfur3D (numero di sovvenzione ZF4123725WZ9) in collaborazione con Glaswerkstätten Glas Ahne, che ha fornito un supporto significativo a questo lavoro di ricerca. Infine, il Laboratorio Friedrich Siemens e i suoi collaboratori, in particolare Felix Hegewald e l'assistente studentesco Jonathan Holzerr, riconoscono il supporto tecnico e l'implementazione della fabbricazione e dei test fisici che hanno costituito la base di questo articolo.