Создание прототипов тонких стеклянных композитных фасадных панелей, изготовленных в цифровой форме.

Feb 19, 2024

Дата: 23 июня 2023 г.

Авторы: Дэниел Пфарр и Кристиан Лутер

Источник:Архитектура, конструкции и строительство, Springer

ДОИ:https://doi.org/10.1007/s44150-022-00080-7

Использование тонкого стекла обещает дать возможность реализовать множество задач в строительной отрасли. В дополнение к экологическим преимуществам более эффективного использования ресурсов, архитекторы могут предвидеть новые свободы дизайна с помощью тонкого стекла. Основываясь на теории сэндвича, гибкое тонкое стекло можно объединить с напечатанным на 3D-принтере полимерным ядром с открытыми порами, чтобы сформировать очень жесткий, но легкий композитный элемент. В этой статье представлена ​​исследовательская попытка цифрового производства тонких стеклянных композитных фасадных панелей с помощью промышленного робота. В нем объясняется идея цифрового рабочего процесса «от запуска до завода», который включает в себя компьютерное проектирование (CAD), проектирование (CAE) и производство (CAM). Исследование демонстрирует процесс параметрического проектирования, обеспечивающий плавную интеграцию инструментов цифрового анализа.

Кроме того, этот процесс показывает потенциал и проблемы цифрового производства тонкой стеклянной композитной панели. Здесь объясняются частичные этапы производства, выполняемые промышленным роботом-манипулятором, такие как крупноформатное аддитивное производство, механическая подготовка поверхности, процесс склеивания и сборки. Наконец, экспериментально и численно исследованы и оценены механические свойства композитной панели под действием поверхностной нагрузки. Общая концепция цифрового проектирования и производственного процесса, а также результаты экспериментального исследования обеспечивают основу для интеграции дальнейших методов формообразования и анализа, а также проведения обширных механических исследований в будущих исследованиях.

Методы цифрового производства позволяют нам совершенствовать наше производство за счет преобразования традиционных подходов и предоставления новых возможностей проектирования [1]. Традиционные методы строительства склонны к чрезмерному использованию материалов с точки зрения стоимости, базовой геометрии и безопасности. Перенеся строительство на заводы, используя модульную сборку и робототехнику для реализации новых подходов к проектированию, можно эффективно использовать материалы без ущерба для безопасности. Цифровое производство позволяет нам расширить наше дизайнерское воображение, что приводит к созданию более разнообразных, эффективных и амбициозных геометрических форм. Хотя процессы проектирования и расчета в значительной степени переведены в цифровой формат, производство и сборка в основном по-прежнему выполняются традиционным способом с использованием ручного труда. Чтобы справиться с растущей сложностью структур произвольной формы, все большее значение приобретают цифровые производственные процессы. Стремление к свободе и гибкости дизайна неуклонно растет, особенно в сфере фасадов. Помимо визуального эффекта фасадов свободной формы, с их помощью можно создавать и более эффективные конструкции, например, используя мембранный эффект [2]. Кроме того, большой потенциал цифровых производственных процессов заключается в их эффективности и возможностях оптимизации дизайна.

В данной статье исследуется, как цифровые технологии могут быть использованы при проектировании и производстве инновационной композитной фасадной панели, состоящей из полимерного ядра, изготовленного методом аддитивного производства, и склеенных тонких стеклянных внешних листов. В дополнение к новым архитектурным возможностям, возникающим в результате использования тонкого стекла, экологические и экономические критерии являются важной мотивацией для строительства ограждающих конструкций с использованием меньшего количества материала. Параллельно с изменением климата, нехваткой ресурсов и ростом цен на энергоносители, в будущем стекло должно использоваться более разумно. Использование тонкого стекла толщиной менее 2 мм, пришедшего из электронной промышленности, обещает легкие фасады с меньшим использованием сырья.

Благодаря высокой гибкости тонкого стекла оно открывает новые возможности для архитектурного применения и в равной степени приводит к новым инженерным задачам [3,4,5,6]. Хотя реализация фасадных проектов с использованием тонкого стекла в настоящее время ограничена, тонкое стекло все чаще используется в инженерных и архитектурных исследованиях. Из-за высокой способности тонкого стекла к упругой деформации его использование в фасадах требует конструктивных решений по приданию жесткости [7]. Помимо использования мембранного эффекта за счет изогнутой геометрии [8], момент инерции можно увеличить за счет сэндвич-структуры, состоящей из полимерного ядра с клеено склеенными тонкими стеклянными внешними листами. Уже было показано, что этот подход является многообещающим благодаря использованию твердого прозрачного поликарбонатного ядра с более низкой плотностью, чем у стекла. Помимо положительных механических эффектов, уже достигнуты и другие критерии безопасности [9].