ციფრულად დამზადებული თხელი მინის კომპოზიტური ფასადის პანელების პროტოტიპები

თხელი მინის გამოყენება გვპირდება სამშენებლო ინდუსტრიაში სხვადასხვა ამოცანების შესრულებას. რესურსების უფრო ეფექტური გამოყენების გარემოსდაცვითი სარგებელის გარდა, არქიტექტორებს შეუძლიათ გამოიყენონ თხელი მინა, რათა მიაღწიონ დიზაინის თავისუფლების ახალ ხარისხს. სენდვიჩის თეორიაზე დაყრდნობით, მოქნილი თხელი მინა შეიძლება გაერთიანდეს 3D დაბეჭდილ ღია უჯრედოვან პოლიმერულ ბირთვთან, რათა შეიქმნას ძალიან ხისტი და მსუბუქი. კომპოზიტური ელემენტები. ეს სტატია წარმოგიდგენთ სამრეწველო რობოტების გამოყენებით თხელი მინის კომპოზიტური ფასადის პანელების ციფრული დამზადების საძიებო მცდელობას. იგი განმარტავს ქარხნიდან ქარხანაში სამუშაო ნაკადების გაციფრულობის კონცეფციას, მათ შორის კომპიუტერის დახმარებით დიზაინი (CAD), ინჟინერია (CAE) და წარმოება (CAM). კვლევა აჩვენებს პარამეტრულ დიზაინის პროცესს, რომელიც ციფრული ანალიზის ხელსაწყოების უწყვეტი ინტეგრაციის საშუალებას იძლევა.
გარდა ამისა, ეს პროცესი აჩვენებს თხელი მინის კომპოზიტური პანელების ციფრული წარმოების პოტენციალს და გამოწვევებს. ინდუსტრიული რობოტის მკლავის მიერ შესრულებული წარმოების ზოგიერთი ეტაპი, როგორიცაა დიდი ფორმატის დანამატის წარმოება, ზედაპირის დამუშავება, წებოვნება და აწყობის პროცესები, აქ არის ახსნილი. დაბოლოს, პირველად, კომპოზიციური პანელების მექანიკური თვისებების ღრმა გაგება მიღწეული იქნა ექსპერიმენტული და რიცხვითი კვლევებით და კომპოზიციური პანელების მექანიკური თვისებების შეფასებით ზედაპირული დატვირთვისას. ციფრული დიზაინისა და ფაბრიკაციის სამუშაო პროცესის საერთო კონცეფცია, ისევე როგორც ექსპერიმენტული კვლევების შედეგები, იძლევა საფუძველს ფორმის განსაზღვრისა და ანალიზის მეთოდების შემდგომი ინტეგრაციისთვის, ასევე ვრცელი მექანიკური კვლევების ჩასატარებლად მომავალ კვლევებში.
ციფრული წარმოების მეთოდები საშუალებას გვაძლევს გავაუმჯობესოთ წარმოება ტრადიციული მეთოდების გარდაქმნით და ახალი დიზაინის შესაძლებლობების მიწოდებით [1]. მშენებლობის ტრადიციული მეთოდები, როგორც წესი, ზედმეტად იყენებს მასალებს ღირებულების, ძირითადი გეომეტრიისა და უსაფრთხოების თვალსაზრისით. მშენებლობის ქარხნებში გადატანით, მოდულური ასაწყობი და რობოტექნიკის გამოყენებით დიზაინის ახალი მეთოდების განსახორციელებლად, მასალები შეიძლება ეფექტურად იქნას გამოყენებული უსაფრთხოების დარღვევის გარეშე. ციფრული წარმოება საშუალებას გვაძლევს გავაფართოვოთ ჩვენი დიზაინის წარმოსახვა უფრო მრავალფეროვანი, ეფექტური და ამბიციური გეომეტრიული ფორმების შესაქმნელად. მიუხედავად იმისა, რომ დიზაინისა და გაანგარიშების პროცესები დიდწილად გაციფრულია, წარმოება და აწყობა კვლავ ძირითადად ხელით ხდება ტრადიციული გზებით. უფრო რთული თავისუფალი ფორმის სტრუქტურებთან გამკლავებისთვის, ციფრული წარმოების პროცესები სულ უფრო მნიშვნელოვანი ხდება. თავისუფლებისა და დიზაინის მოქნილობის სურვილი, განსაკუთრებით მაშინ, როცა საქმე ფასადებს ეხება, სტაბილურად იზრდება. ვიზუალური ეფექტის გარდა, თავისუფალი ფორმის ფასადები ასევე საშუალებას გაძლევთ შექმნათ უფრო ეფექტური სტრუქტურები, მაგალითად, მემბრანული ეფექტების გამოყენებით [2]. გარდა ამისა, ციფრული წარმოების პროცესების დიდი პოტენციალი მდგომარეობს მათ ეფექტურობაში და დიზაინის ოპტიმიზაციის შესაძლებლობაში.
ეს სტატია იკვლევს, თუ როგორ შეიძლება გამოყენებულ იქნას ციფრული ტექნოლოგია ინოვაციური კომპოზიტური ფასადის პანელის შესაქმნელად და დასამზადებლად, რომელიც შედგება დამატებით დამზადებული პოლიმერული ბირთვისგან და შეკრული თხელი მინის გარე პანელებისგან. გარდა ახალი არქიტექტურული შესაძლებლობებისა, რომელიც დაკავშირებულია თხელი მინის გამოყენებასთან, გარემოსდაცვითი და ეკონომიკური კრიტერიუმები ასევე მნიშვნელოვანი მოტივაცია იყო შენობის კონვერტის ასაგებად ნაკლები მასალის გამოყენებისათვის. კლიმატის ცვლილების, რესურსების დეფიციტისა და ენერგიის ფასების მატებასთან ერთად, მინა უფრო ჭკვიანურად უნდა იქნას გამოყენებული. ელექტრონიკის ინდუსტრიიდან 2მმ-ზე ნაკლები სისქის თხელი მინის გამოყენება ფასადს მსუბუქს ხდის და ამცირებს ნედლეულის გამოყენებას.
თხელი მინის მაღალი მოქნილობის გამო, ის ხსნის ახალ შესაძლებლობებს არქიტექტურული აპლიკაციებისთვის და ამავე დროს აჩენს ახალ საინჟინრო გამოწვევებს [3,4,5,6]. მიუხედავად იმისა, რომ თხელი მინის გამოყენებით ფასადის პროექტების მიმდინარე განხორციელება შეზღუდულია, თხელი მინა სულ უფრო ხშირად გამოიყენება სამოქალაქო ინჟინერიასა და არქიტექტურულ კვლევებში. თხელი მინის ელასტიური დეფორმაციისადმი მაღალი უნარის გამო, ფასადებზე მისი გამოყენება მოითხოვს გაძლიერებულ სტრუქტურულ გადაწყვეტილებებს [7]. გარდა მრუდი გეომეტრიის გამო მემბრანის ეფექტის გამოყენებისა [8], ინერციის მომენტი ასევე შეიძლება გაიზარდოს მრავალშრიანი სტრუქტურით, რომელიც შედგება პოლიმერული ბირთვისა და წებოვანი თხელი მინის გარე ფურცლისგან. ეს მიდგომა აჩვენა დაპირება მყარი გამჭვირვალე პოლიკარბონატის ბირთვის გამოყენების გამო, რომელიც მინაზე ნაკლებად მკვრივია. დადებითი მექანიკური მოქმედების გარდა, დაკმაყოფილდა უსაფრთხოების დამატებითი კრიტერიუმები [9].
შემდეგი კვლევის მიდგომა ეფუძნება იმავე კონცეფციას, მაგრამ დამატებით შემუშავებული ღია ფორების გამჭვირვალე ბირთვის გამოყენებით. ეს უზრუნველყოფს გეომეტრიული თავისუფლების უფრო მაღალ ხარისხს და დიზაინის შესაძლებლობებს, ასევე შენობის ფიზიკური ფუნქციების ინტეგრაციას [10]. ასეთი კომპოზიციური პანელები განსაკუთრებით ეფექტური აღმოჩნდა მექანიკურ ტესტირებაში [11] და გვპირდება, რომ შეამცირებს გამოყენებული მინის რაოდენობას 80%-მდე. ეს არა მხოლოდ შეამცირებს საჭირო რესურსებს, არამედ მნიშვნელოვნად შეამცირებს პანელების წონას, რითაც გაზრდის ქვესტრუქტურის ეფექტურობას. მაგრამ მშენებლობის ახალი ფორმები მოითხოვს წარმოების ახალ ფორმებს. ეფექტური სტრუქტურები მოითხოვს ეფექტურ საწარმოო პროცესებს. ციფრული დიზაინი ხელს უწყობს ციფრულ წარმოებას. ეს სტატია აგრძელებს ავტორის წინა კვლევას სამრეწველო რობოტებისთვის თხელი მინის კომპოზიტური პანელების ციფრული წარმოების პროცესის შესწავლით. აქცენტი კეთდება პირველი დიდი ფორმატის პროტოტიპების ფაილიდან ქარხანაში სამუშაო ნაკადის ციფრულიზაციაზე, რათა გაზარდოს წარმოების პროცესის ავტომატიზაცია.
კომპოზიტური პანელი (სურათი 1) შედგება ორი თხელი შუშის გადაფარვისგან, რომლებიც შეფუთულია AM პოლიმერის ბირთვზე. ორი ნაწილი დაკავშირებულია წებოთი. ამ დიზაინის მიზანია დატვირთვის განაწილება მთელ მონაკვეთზე რაც შეიძლება ეფექტურად. მოხრის მომენტები ქმნის ნორმალურ სტრესს გარსში. გვერდითი ძალები იწვევენ ათვლის სტრესს ბირთვსა და წებოვან სახსრებში.
სენდვიჩის სტრუქტურის გარე ფენა დამზადებულია თხელი მინისგან. პრინციპში გამოყენებული იქნება სოდა-ცაცხვის სილიკატური მინა. სამიზნე სისქით < 2 მმ, თერმული წრთობის პროცესი აღწევს მიმდინარე ტექნოლოგიურ ზღვარს. ქიმიურად გამაგრებული ალუმოსილიკატური მინა შეიძლება ჩაითვალოს განსაკუთრებით შესაფერისად, თუ საჭიროა უფრო მაღალი სიმტკიცე დიზაინის (მაგ. ცივი დაკეცილი პანელები) ან გამოყენების გამო [12]. სინათლის გადაცემის და გარემოს დაცვის ფუნქციები დამატებული იქნება კარგი მექანიკური თვისებებით, როგორიცაა კარგი ნაკაწრის წინააღმდეგობა და შედარებით მაღალი იანგის მოდული კომპოზიტებში გამოყენებულ სხვა მასალებთან შედარებით. ქიმიურად გამყარებული თხელი მინისთვის ხელმისაწვდომი შეზღუდული ზომების გამო, პირველი ფართომასშტაბიანი პროტოტიპის შესაქმნელად გამოყენებული იქნა სრულად გამაგრებული 3 მმ სისქის სოდა-ცაცხვის მინის პანელები.
დამხმარე სტრუქტურა განიხილება, როგორც კომპოზიტური პანელის ფორმის ნაწილი. მასზე გავლენას ახდენს თითქმის ყველა ატრიბუტი. დანამატის წარმოების მეთოდის წყალობით, ის ასევე წარმოადგენს ციფრული წარმოების პროცესის ცენტრს. თერმოპლასტიკების დამუშავება ხდება შერწყმის გზით. ეს შესაძლებელს ხდის სხვადასხვა პოლიმერების დიდი რაოდენობით გამოყენებას კონკრეტული აპლიკაციებისთვის. ძირითადი ელემენტების ტოპოლოგია შეიძლება შეიქმნას სხვადასხვა აქცენტით მათი ფუნქციიდან გამომდინარე. ამ მიზნით, ფორმის დიზაინი შეიძლება დაიყოს დიზაინის შემდეგ ოთხ კატეგორიად: სტრუქტურული დიზაინი, ფუნქციური დიზაინი, ესთეტიკური დიზაინი და წარმოების დიზაინი. თითოეულ კატეგორიას შეიძლება ჰქონდეს განსხვავებული დანიშნულება, რამაც შეიძლება გამოიწვიოს სხვადასხვა ტოპოლოგია.
წინასწარი კვლევის დროს, ზოგიერთი ძირითადი დიზაინი შემოწმდა მათი დიზაინის ვარგისიანობაზე [11]. მექანიკური თვალსაზრისით, გიროსკოპის სამი პერიოდის მინიმალური ბირთვის ზედაპირი განსაკუთრებით ეფექტურია. ეს უზრუნველყოფს მაღალი მექანიკური წინააღმდეგობის გაწევას შედარებით დაბალი მასალის მოხმარებისას. ზედაპირულ რეგიონებში რეპროდუცირებული უჯრედული ძირითადი სტრუქტურების გარდა, ტოპოლოგია ასევე შეიძლება წარმოიქმნას ფორმის პოვნის სხვა ტექნიკით. დაძაბულობის ხაზის წარმოქმნა არის ერთ-ერთი შესაძლო გზა სიმყარის ოპტიმიზაციისთვის ყველაზე დაბალ წონაზე [13]. თუმცა, თაფლისებრი სტრუქტურა, რომელიც ფართოდ გამოიყენება სენდვიჩის კონსტრუქციებში, გამოიყენებოდა როგორც საწარმოო ხაზის განვითარების საწყისი წერტილი. ეს ძირითადი ფორმა იწვევს სწრაფ პროგრესს წარმოებაში, განსაკუთრებით მარტივი ხელსაწყოების პროგრამირების საშუალებით. მისი ქცევა კომპოზიტურ პანელებში ფართოდ იქნა შესწავლილი [14, 15, 16] და გარეგნობა შეიძლება შეიცვალოს მრავალი გზით პარამეტრიზაციის გზით და ასევე შეიძლება გამოყენებულ იქნას საწყისი ოპტიმიზაციის კონცეფციებისთვის.
არსებობს მრავალი თერმოპლასტიკური პოლიმერი, რომელიც გასათვალისწინებელია პოლიმერის არჩევისას, გამოყენებული ექსტრუზიის პროცესის მიხედვით. მცირე მასშტაბის მასალების პირველადმა წინასწარმა კვლევებმა შეამცირა პოლიმერების რაოდენობა, რომლებიც შესაფერისად ითვლება ფასადებისთვის [11]. პოლიკარბონატი (PC) პერსპექტიულია მისი სითბოს წინააღმდეგობის, ულტრაიისფერი სხივების წინააღმდეგობის და მაღალი სიხისტის გამო. პოლიკარბონატის დასამუშავებლად საჭირო დამატებითი ტექნიკური და ფინანსური ინვესტიციების გამო, პირველი პროტოტიპების წარმოებისთვის გამოყენებული იქნა ეთილენგლიკოლის მოდიფიცირებული პოლიეთილენ ტერეფტალატი (PETG). განსაკუთრებით ადვილია მისი დამუშავება შედარებით დაბალ ტემპერატურაზე თერმული სტრესის და კომპონენტის დეფორმაციის დაბალი რისკით. აქ ნაჩვენები პროტოტიპი დამზადებულია რეციკლირებული PETG-სგან, რომელსაც PIPG ეწოდება. მასალა წინასწარ აშრობდა 60°C ტემპერატურაზე მინიმუმ 4 საათის განმავლობაში და გადამუშავდა გრანულებად, 20% მინის ბოჭკოს შემცველობით [17].
წებოვანი უზრუნველყოფს ძლიერ კავშირს პოლიმერული ბირთვის სტრუქტურასა და თხელ მინის სახურავს შორის. როდესაც კომპოზიტური პანელები ექვემდებარება ღუნვის დატვირთვას, წებოვანი სახსრები ექვემდებარება ათვლის სტრესს. ამიტომ, სასურველია უფრო მყარი წებოვანი და შეიძლება შეამციროს გადახრა. გამჭვირვალე ადჰეზივები ასევე ხელს უწყობს მაღალი ვიზუალური ხარისხის უზრუნველყოფას გამჭვირვალე მინაზე მიმაგრებისას. წებოვანი მასალის არჩევისას კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი ფაქტორია წარმოება და ინტეგრირება ავტომატიზებულ წარმოების პროცესებში. აქ ულტრაიისფერი გამწმენდი ადჰეზივები მოქნილი გამაგრების დროით შეიძლება მნიშვნელოვნად გაამარტივოს საფარის ფენების განლაგება. წინასწარი ტესტების საფუძველზე, ადჰეზივების სერია შემოწმდა მათი ვარგისიანობისთვის თხელი მინის კომპოზიტური პანელებისთვის [18]. Loctite® AA 3345™ UV სამკურნალო აკრილატი [19] განსაკუთრებით შესაფერისი აღმოჩნდა შემდეგი პროცესისთვის.
დანამატის წარმოების შესაძლებლობებისა და თხელი მინის მოქნილობის გამოსაყენებლად, მთელი პროცესი შეიქმნა ციფრულად და პარამეტრულად მუშაობისთვის. Grasshopper გამოიყენება როგორც ვიზუალური პროგრამირების ინტერფეისი, თავიდან აიცილებს ინტერფეისებს სხვადასხვა პროგრამებს შორის. ყველა დისციპლინა (ინჟინერია, ინჟინერია და წარმოება) მხარს დაუჭერს და ავსებს ერთმანეთს ერთ ფაილში ოპერატორის პირდაპირი გამოხმაურებით. კვლევის ამ ეტაპზე სამუშაო პროცესი ჯერ კიდევ შემუშავების პროცესშია და მიჰყვება ნახატ 2-ში ნაჩვენები ნიმუში. სხვადასხვა მიზნები შეიძლება დაჯგუფდეს კატეგორიებად დისციპლინებში.
მიუხედავად იმისა, რომ ამ ნაშრომში სენდვიჩის პანელების წარმოება ავტომატიზირებულია მომხმარებელზე ორიენტირებული დიზაინითა და ფაბრიკაციის მომზადებით, ინდივიდუალური საინჟინრო ხელსაწყოების ინტეგრაცია და დადასტურება სრულად არ არის განხორციელებული. ფასადის გეომეტრიის პარამეტრული დიზაინის საფუძველზე შესაძლებელია შენობის გარე გარსის დაპროექტება მაკრო დონეზე (ფასადი) და მეზო (ფასადის პანელები). მეორე საფეხურზე, საინჟინრო უკუკავშირის ციკლი მიზნად ისახავს შეაფასოს ფარდის კედლების დამზადების უსაფრთხოება და ვარგისიანობა, ასევე სიცოცხლისუნარიანობა. საბოლოოდ, მიღებული პანელები მზად არის ციფრული წარმოებისთვის. პროგრამა ამუშავებს განვითარებულ ბირთვულ სტრუქტურას მანქანით წაკითხვადი G-კოდში და ამზადებს მას დანამატის წარმოებისთვის, გამოკლების შემდგომი დამუშავებისთვის და მინის შეკავშირებისთვის.
დიზაინის პროცესი განიხილება ორ განსხვავებულ დონეზე. გარდა იმისა, რომ ფასადების მაკრო ფორმა გავლენას ახდენს თითოეული კომპოზიტური პანელის გეომეტრიაზე, თავად ბირთვის ტოპოლოგია ასევე შეიძლება შეიქმნას მეზო დონეზე. პარამეტრული ფასადის მოდელის გამოყენებისას, ფორმასა და გარეგნობაზე შეიძლება გავლენა იქონიოს ფასადის სექციების მაგალითზე, სლაიდერების გამოყენებით, რომლებიც ნაჩვენებია სურათზე 3. ამრიგად, მთლიანი ზედაპირი შედგება მომხმარებლის მიერ განსაზღვრული მასშტაბირებადი ზედაპირისგან, რომელიც შეიძლება დეფორმირებული იყოს წერტილოვანი მიმზიდების გამოყენებით და შეცვლილი დეფორმაციის მინიმალური და მაქსიმალური ხარისხის მითითებით. ეს უზრუნველყოფს მაღალი ხარისხის მოქნილობას შენობის კონვერტების დიზაინში. თუმცა, თავისუფლების ეს ხარისხი შემოიფარგლება ტექნიკური და წარმოების შეზღუდვებით, რომლებიც შემდეგ ითამაშებს საინჟინრო ნაწილში ალგორითმებს.
გარდა მთლიანი ფასადის სიმაღლისა და სიგანისა, განისაზღვრება ფასადის პანელების დაყოფა. რაც შეეხება ცალკეულ ფასადის პანელებს, ისინი შეიძლება უფრო ზუსტად განისაზღვროს მეზო დონეზე. ეს გავლენას ახდენს თავად ბირთვის სტრუქტურის ტოპოლოგიაზე, ისევე როგორც შუშის სისქეზე. ამ ორ ცვლადს, ისევე როგორც პანელის ზომას, მნიშვნელოვანი კავშირი აქვს მექანიკური ინჟინერიის მოდელირებასთან. მთელი მაკრო და მეზო დონის დიზაინი და განვითარება შეიძლება განხორციელდეს ოპტიმიზაციის თვალსაზრისით სტრუქტურის, ფუნქციის, ესთეტიკისა და პროდუქტის დიზაინის ოთხ კატეგორიაში. მომხმარებლებს შეუძლიათ განავითარონ შენობის კონვერტის საერთო იერსახე და შეგრძნება ამ ტერიტორიების პრიორიტეტების მინიჭებით.
პროექტს მხარს უჭერს საინჟინრო ნაწილი უკუკავშირის მარყუჟის გამოყენებით. ამ მიზნით, მიზნები და სასაზღვრო პირობები განისაზღვრება ოპტიმიზაციის კატეგორიაში, რომელიც ნაჩვენებია ნახ. 2-ში. ისინი უზრუნველყოფენ ტექნიკურად მიზანშეწონილ, ფიზიკურად გამართულ და უსაფრთხო ასაშენებელ დერეფნებს საინჟინრო თვალსაზრისით, რაც მნიშვნელოვან გავლენას ახდენს დიზაინზე. ეს არის ამოსავალი წერტილი სხვადასხვა ხელსაწყოებისთვის, რომლებიც შეიძლება ინტეგრირებული იყოს პირდაპირ Grasshopper-ში. შემდგომ გამოკვლევებში, მექანიკური თვისებები შეიძლება შეფასდეს სასრული ელემენტების ანალიზის (FEM) ან თუნდაც ანალიტიკური გამოთვლების გამოყენებით.
გარდა ამისა, მზის რადიაციის კვლევებს, მხედველობის ხაზის ანალიზს და მზის ხანგრძლივობის მოდელირებას შეუძლია შეაფასოს კომპოზიტური პანელების გავლენა შენობის ფიზიკაზე. მნიშვნელოვანია, რომ ზედმეტად არ შეზღუდოთ დიზაინის პროცესის სიჩქარე, ეფექტურობა და მოქნილობა. როგორც ასეთი, აქ მიღებული შედეგები შექმნილია დიზაინის პროცესის დამატებითი ხელმძღვანელობისა და მხარდაჭერის უზრუნველსაყოფად და არ არის შემცვლელი დეტალური ანალიზისა და დასაბუთებისთვის დიზაინის პროცესის ბოლოს. ეს სტრატეგიული გეგმა საფუძველს უყრის შემდგომ კატეგორიულ კვლევას დადასტურებული შედეგებისთვის. მაგალითად, ჯერ ცოტა რამ არის ცნობილი კომპოზიტური პანელების მექანიკური ქცევის შესახებ სხვადასხვა დატვირთვისა და დამხმარე პირობებში.
დიზაინისა და ინჟინერიის დასრულების შემდეგ, მოდელი მზად არის ციფრული წარმოებისთვის. წარმოების პროცესი დაყოფილია ოთხ ქვეეტაპად (ნახ. 4). პირველ რიგში, ძირითადი კონსტრუქცია დამატებით დამზადდა ფართომასშტაბიანი რობოტული 3D ბეჭდვის მოწყობილობის გამოყენებით. შემდეგ ზედაპირი დაფქვა იმავე რობოტული სისტემის გამოყენებით, რათა გაუმჯობესდეს ზედაპირის ხარისხი, რომელიც საჭიროა კარგი შემაკავშირებლად. დაფქვის შემდეგ, წებოვანი გამოიყენება ბირთვის სტრუქტურის გასწვრივ სპეციალურად შემუშავებული დოზირების სისტემის გამოყენებით, რომელიც დამონტაჟებულია იმავე რობოტულ სისტემაზე, რომელიც გამოიყენება ბეჭდვისა და დაფქვის პროცესისთვის. საბოლოოდ, მინა დამონტაჟებულია და იდება შეკრული სახსრის ულტრაიისფერი სხივების გამკვრივებამდე.
დანამატის წარმოებისთვის, ძირითადი სტრუქტურის განსაზღვრული ტოპოლოგია უნდა ითარგმნოს CNC მანქანა ენაზე (GCode). ერთიანი და მაღალი ხარისხის შედეგებისთვის, მიზანია თითოეული ფენის დაბეჭდვა ექსტრუდერის საქშენის ჩამოვარდნის გარეშე. ეს ხელს უშლის არასასურველ ზეწოლას მოძრაობის დასაწყისში და ბოლოს. ამიტომ, უწყვეტი ტრაექტორიის გენერირების სკრიპტი დაიწერა გამოყენებული უჯრედის ნიმუშისთვის. ეს შექმნის პარამეტრულ უწყვეტ პოლიხაზს იგივე საწყისი და დასასრული წერტილებით, რომელიც ადაპტირდება შერჩეული პანელის ზომაზე, თაფლის თაფლის რაოდენობასა და ზომაზე დიზაინის მიხედვით. გარდა ამისა, პარამეტრები, როგორიცაა ხაზის სიგანე და ხაზის სიმაღლე, შეიძლება განისაზღვროს ხაზების დაგებამდე, ძირითადი სტრუქტურის სასურველი სიმაღლის მისაღწევად. სკრიპტის შემდეგი ნაბიჯი არის G- კოდის ბრძანებების ჩაწერა.
ეს კეთდება ხაზის თითოეული წერტილის კოორდინატების ჩაწერით დამატებითი მანქანის ინფორმაციით, როგორიცაა პოზიციონირებისა და ექსტრუზიის მოცულობის კონტროლის სხვა შესაბამისი ღერძები. შედეგად მიღებული G-კოდი შეიძლება გადავიდეს საწარმოო მანქანებზე. ამ მაგალითში, Comau NJ165 სამრეწველო რობოტის მკლავი ხაზოვან ლიანდაგზე გამოიყენება CEAD E25 ექსტრუდერის გასაკონტროლებლად G- კოდის მიხედვით (სურათი 5). პირველმა პროტოტიპმა გამოიყენა პოსტინდუსტრიული PETG მინის ბოჭკოს შემცველობით 20%. მექანიკური ტესტირების თვალსაზრისით, სამიზნე ზომა ახლოსაა სამშენებლო ინდუსტრიის ზომასთან, ამიტომ ძირითადი ელემენტის ზომებია 1983 × 876 მმ 6 × 4 თაფლის უჯრედებით. 6 მმ და 2 მმ სიმაღლე.
წინასწარმა ტესტებმა აჩვენა, რომ წებოვანი სიძლიერის განსხვავებაა წებოვან და 3D ბეჭდვის ფისს შორის, მისი ზედაპირის თვისებებიდან გამომდინარე. ამისათვის დანამატის წარმოების ტესტის ნიმუშები წებოვანი ან ლამინირებულია მინაზე და ექვემდებარება დაჭიმვას ან ათვლას. პოლიმერული ზედაპირის დაფქვით წინასწარი მექანიკური დამუშავებისას სიმტკიცე საგრძნობლად გაიზარდა (სურ. 6). გარდა ამისა, ის აუმჯობესებს ბირთვის სიბრტყეს და ხელს უშლის ზედმეტი ექსტრუზიით გამოწვეულ დეფექტებს. აქ გამოყენებული ულტრაიისფერი სხივების შემცველი LOCTITE® AA 3345™ [19] აკრილატი მგრძნობიარეა დამუშავების პირობების მიმართ.
ეს ხშირად იწვევს ბონდის ტესტის ნიმუშების უფრო მაღალ სტანდარტულ გადახრას. დანამატის წარმოების შემდეგ, ბირთვის სტრუქტურა დაფქვილი იყო პროფილის საღეჭ მანქანაზე. ამ ოპერაციისთვის საჭირო G-კოდი ავტომატურად გენერირდება 3D ბეჭდვის პროცესისთვის უკვე შექმნილი ხელსაწყოების გზებიდან. ძირითადი სტრუქტურა უნდა დაიბეჭდოს ოდნავ უფრო მაღალი ვიდრე ბირთვის სავარაუდო სიმაღლე. ამ მაგალითში, 18 მმ სისქის ბირთვის სტრუქტურა შემცირდა 14 მმ-მდე.
წარმოების პროცესის ეს ნაწილი არის მთავარი გამოწვევა სრული ავტომატიზაციისთვის. ადჰეზივების გამოყენება დიდ მოთხოვნებს უყენებს მანქანების სიზუსტესა და სიზუსტეს. პნევმატური დოზირების სისტემა გამოიყენება წებოს დასაყენებლად ბირთვის სტრუქტურის გასწვრივ. მას რობოტი ხელმძღვანელობს ფრეზის ზედაპირის გასწვრივ განსაზღვრული ხელსაწყოს ბილიკის შესაბამისად. გამოდის, რომ ტრადიციული გამანაწილებელი წვერის ფუნჯით შეცვლა განსაკუთრებით ხელსაყრელია. ეს საშუალებას აძლევს დაბალი სიბლანტის წებოს მოცულობით თანაბრად განაწილდეს. ეს რაოდენობა განისაზღვრება სისტემაში არსებული წნევით და რობოტის სიჩქარით. მეტი სიზუსტისა და მაღალი ხარისხის შეკვრისთვის სასურველია დაბალი მოგზაურობის სიჩქარე 200-დან 800 მმ/წთ-მდე.
აკრილატი საშუალო სიბლანტის 1500 mPa*s იყო გამოყენებული პოლიმერული ბირთვის კედელზე 6 მმ სიგანის დოზირების ფუნჯის გამოყენებით შიდა დიამეტრით 0,84 მმ და ფუნჯის სიგანე 5, გამოყენებული წნევით 0,3-დან 0,6 მმ-მდე. მმ. შემდეგ წებოვანი ვრცელდება სუბსტრატის ზედაპირზე და ქმნის 1 მმ სისქის ფენას ზედაპირული დაჭიმვის გამო. წებოვანი სისქის ზუსტი განსაზღვრა ჯერ არ არის ავტომატიზირებული. პროცესის ხანგრძლივობა მნიშვნელოვანი კრიტერიუმია წებოს არჩევისთვის. აქ წარმოებული ძირითადი სტრუქტურის სიგრძეა 26 მ და შესაბამისად გამოყენების დრო 30-დან 60 წუთამდე.
წებოს წასმის შემდეგ დააინსტალირეთ ორმაგი მინის ფანჯარა ადგილზე. მასალის დაბალი სისქის გამო, თხელი მინა უკვე ძლიერ დეფორმირებულია საკუთარი წონის გამო და ამიტომ უნდა იყოს განლაგებული რაც შეიძლება თანაბრად. ამისთვის გამოიყენება პნევმატური შუშის შეწოვის ჭიქები დროში დისპერსიული შეწოვით. ის კომპონენტზე მოთავსებულია ამწის გამოყენებით, მომავალში კი შეიძლება პირდაპირ რობოტების გამოყენებით განთავსდეს. შუშის ფირფიტა მოთავსებული იყო ბირთვის ზედაპირის პარალელურად წებოვან ფენაზე. უფრო მსუბუქი წონის გამო, დამატებითი შუშის ფირფიტა (4-დან 6 მმ სისქით) ზრდის მასზე წნევას.
შედეგი უნდა იყოს შუშის ზედაპირის სრული დატენიანება ბირთვის სტრუქტურის გასწვრივ, რაც შეიძლება ვიმსჯელოთ ხილული ფერის განსხვავებების საწყისი ვიზუალური შემოწმებით. განაცხადის პროცესს ასევე შეუძლია მნიშვნელოვანი გავლენა მოახდინოს საბოლოო შეკრული სახსრის ხარისხზე. მიმაგრების შემდეგ, შუშის პანელები არ უნდა გადავიდეს, რადგან ეს გამოიწვევს ხილულ წებოვან ნარჩენებს მინაზე და დეფექტებს რეალურ წებოვან ფენაში. დაბოლოს, წებოვანი იშლება ულტრაიისფერი გამოსხივებით 365 ნმ ტალღის სიგრძეზე. ამისათვის ულტრაიისფერი ნათურა, რომლის სიმძლავრეა 6 მვტ/სმ2, თანდათან გადადის მთელ წებოვან ზედაპირზე 60 წმ.
აქ განხილული მსუბუქი და რეგულირებადი თხელი მინის კომპოზიტური პანელების კონცეფცია, რომელიც განიხილება დამატებით დამზადებული პოლიმერული ბირთვით, განკუთვნილია მომავალი ფასადების გამოსაყენებლად. ამრიგად, კომპოზიტური პანელები უნდა შეესაბამებოდეს მოქმედ სტანდარტებს და აკმაყოფილებდეს მოთხოვნებს მომსახურების ლიმიტის მდგომარეობის (SLS), საბოლოო სიმტკიცის ლიმიტის მდგომარეობების (ULS) და უსაფრთხოების მოთხოვნებს. ამიტომ, კომპოზიტური პანელები უნდა იყოს უსაფრთხო, მტკიცე და საკმარისად ხისტი, რათა გაუძლოს დატვირთვას (როგორიცაა ზედაპირული დატვირთვა) გატეხვის ან ზედმეტი დეფორმაციის გარეშე. ადრე დამზადებული თხელი მინის კომპოზიტური პანელების მექანიკური რეაქციის გამოსაკვლევად (როგორც აღწერილია მექანიკური ტესტირების განყოფილებაში), მათ ჩაუტარდათ ქარის დატვირთვის ტესტები, როგორც აღწერილია შემდეგ ქვეთავში.
ფიზიკური ტესტირების მიზანია ქარის დატვირთვის ქვეშ გარე კედლების კომპოზიტური პანელების მექანიკური თვისებების შესწავლა. ამ მიზნით, კომპოზიტური პანელები, რომლებიც შედგებოდა 3 მმ სისქის სრული გამაგრებული მინის გარე ფურცლისგან და 14 მმ სისქის დანამატებით დამზადებული ბირთვისაგან (PIPG-GF20-დან) დამზადდა, როგორც ზემოთ აღწერილი იყო Henkel Loctite AA 3345 წებოს გამოყენებით (ნახ. 7 მარცხნივ). )). . შემდეგ კომპოზიტური პანელები მიმაგრებულია ხის საყრდენი ჩარჩოზე ლითონის ხრახნებით, რომლებიც ამოძრავებულია ხის ჩარჩოში და ძირითადი სტრუქტურის გვერდებზე. 30 ხრახნი მოთავსდა პანელის პერიმეტრის გარშემო (იხილეთ შავი ხაზი მარცხნივ ნახ. 7-ში), რათა პერიმეტრის გარშემო არსებული წრფივი საყრდენი პირობები მაქსიმალურად მჭიდროდ გამოესახათ.
შემდეგ სატესტო ჩარჩო დალუქული იქნა გარე სატესტო კედელზე ქარის წნევის ან ქარის შეწოვის გამოყენებით კომპოზიტური პანელის უკან (სურათი 7, ზედა მარჯვნივ). ციფრული კორელაციის სისტემა (DIC) გამოიყენება მონაცემთა ჩასაწერად. ამისათვის კომპოზიტური პანელის გარე შუშა დაფარულია თხელი ელასტიური ფურცლით, რომელიც დაბეჭდილია მასზე მარგალიტის ხმაურის ნიმუშით (ნახ. 7, ქვედა მარჯვენა). DIC იყენებს ორ კამერას, რათა ჩაწეროს ყველა საზომი წერტილის ფარდობითი პოზიცია მთელ მინის ზედაპირზე. წამში ორი სურათი ჩაიწერა და გამოიყენებოდა შეფასებისთვის. წნევა პალატაში, რომელიც გარშემორტყმულია კომპოზიტური პანელებით, იზრდება ვენტილატორის საშუალებით 1000 Pa მატებით მაქსიმალურ მნიშვნელობამდე 4000 Pa, ისე, რომ დატვირთვის თითოეული დონე შენარჩუნებულია 10 წამის განმავლობაში.
ექსპერიმენტის ფიზიკური წყობა ასევე წარმოდგენილია იგივე გეომეტრიული ზომების რიცხვითი მოდელით. ამისთვის გამოიყენება რიცხვითი პროგრამა Ansys Mechanical. ბირთვის სტრუქტურა იყო გეომეტრიული ბადე, SOLID 185 ექვსკუთხა ელემენტებით 20 მმ გვერდით მინის და SOLID 187 ოთხკუთხა ელემენტებით 3 მმ გვერდით. მოდელირების გასამარტივებლად, კვლევის ამ ეტაპზე, აქ ვარაუდობენ, რომ გამოყენებული აკრილატი იდეალურად ხისტი და თხელია და განისაზღვრება, როგორც ხისტი კავშირი მინასა და ბირთვს შორის.
კომპოზიტური პანელები ფიქსირდება სწორ ხაზზე ბირთვის გარეთ და შუშის პანელი ექვემდებარება ზედაპირულ წნევას 4000 Pa. მიუხედავად იმისა, რომ მოდელირებისას გათვალისწინებული იყო გეომეტრიული არაწრფივობა, მასალის ამ ეტაპზე გამოყენებული იყო მხოლოდ ხაზოვანი მასალების მოდელები. სწავლა. მიუხედავად იმისა, რომ ეს არის სწორი დაშვება შუშის წრფივი ელასტიური პასუხისთვის (E = 70,000 მპა), (ვისკოელასტიური) პოლიმერული ბირთვის მასალის მწარმოებლის მონაცემთა ფურცლის მიხედვით [17], წრფივი სიმტკიცე E = 8245 მპა იყო გამოყენებული. მიმდინარე ანალიზი მკაცრად უნდა იქნას განხილული და შესწავლილი იქნება მომავალ კვლევაში.
აქ წარმოდგენილი შედეგები შეფასებულია ძირითადად დეფორმაციებისთვის ქარის მაქსიმალური დატვირთვის დროს 4000 Pa (=ˆ4kN/m2). ამისთვის DIC მეთოდით ჩაწერილი სურათები შეადარეს რიცხვითი სიმულაციის (FEM) შედეგებს (ნახ. 8, ქვედა მარჯვენა). მიუხედავად იმისა, რომ იდეალური ჯამური დაძაბულობა 0 მმ-ით „იდეალური“ წრფივი საყრდენებით კიდის რეგიონში (ანუ, პანელის პერიმეტრზე) გამოითვლება FEM-ში, DIC-ის შეფასებისას მხედველობაში უნდა იქნას მიღებული ზღვრის რეგიონის ფიზიკური გადაადგილება. ეს გამოწვეულია ინსტალაციის ტოლერანტობით და ტესტის ჩარჩოსა და მისი ბეჭდების დეფორმაციის გამო. შედარებისთვის, საშუალო გადაადგილება კიდეების რეგიონში (დატეხილი თეთრი ხაზი ნახ. 8-ზე) გამოკლდა პანელის ცენტრში არსებულ მაქსიმალურ გადაადგილებას. DIC-ით და FEA-ით განსაზღვრული გადაადგილებები შედარებულია ცხრილში 1 და გრაფიკულად არის ნაჩვენები ნახ.8-ის ზედა მარცხენა კუთხეში.
ექსპერიმენტული მოდელის ოთხი გამოყენებული დატვირთვის დონე გამოიყენებოდა შეფასებისთვის და შეფასდა FEM-ში. კომპოზიციური ფირფიტის მაქსიმალური ცენტრალური გადაადგილება დატვირთულ მდგომარეობაში განისაზღვრა DIC გაზომვებით დატვირთვის დონეზე 4000 Pa 2,18 მმ-ზე. მიუხედავად იმისა, რომ FEA გადაადგილებებს უფრო დაბალ დატვირთვებზე (2000 Pa-მდე) ჯერ კიდევ შეუძლია ექსპერიმენტული მნიშვნელობების ზუსტად რეპროდუცირება, დაძაბულობის არაწრფივი მატება უფრო მაღალ დატვირთვებზე შეუძლებელია ზუსტად გამოითვალოს.
თუმცა, კვლევებმა აჩვენა, რომ კომპოზიტური პანელები უძლებენ ქარის ექსტრემალურ დატვირთვას. განსაკუთრებით გამოირჩევა მსუბუქი პანელების მაღალი სიმტკიცე. კირხჰოფის ფირფიტების წრფივი თეორიაზე დაფუძნებული ანალიტიკური გამოთვლების გამოყენებით, 2,18 მმ-იანი დეფორმაცია 4000 Pa-ზე შეესაბამება 12 მმ სისქის ერთი მინის ფირფიტის დეფორმაციას იმავე სასაზღვრო პირობებში. შედეგად, შუშის სისქე (რომელიც წარმოებაში ენერგო ინტენსიურია) ამ კომპოზიტურ პანელში შეიძლება შემცირდეს 2 x 3 მმ მინამდე, რაც გამოიწვევს მასალის დაზოგვას 50%. პანელის საერთო წონის შემცირება დამატებით სარგებელს იძლევა შეკრების თვალსაზრისით. მიუხედავად იმისა, რომ 30 კგ კომპოზიციურ პანელს ადვილად უმკლავდება ორი ადამიანი, ტრადიციული 50 კგ-იანი მინის პანელი საჭიროებს ტექნიკურ მხარდაჭერას უსაფრთხო გადაადგილებისთვის. მექანიკური ქცევის ზუსტად წარმოსადგენად, შემდგომ კვლევებში საჭირო იქნება უფრო დეტალური რიცხვითი მოდელები. სასრულ ელემენტების ანალიზი შეიძლება კიდევ უფრო გაუმჯობესდეს პოლიმერების და წებოვანი ბმის მოდელირებისთვის უფრო ფართო არაწრფივი მასალების მოდელებით.
ციფრული პროცესების განვითარება და გაუმჯობესება მნიშვნელოვან როლს ასრულებს სამშენებლო ინდუსტრიაში ეკონომიკური და გარემოსდაცვითი მუშაობის გაუმჯობესებაში. გარდა ამისა, ფასადებზე თხელი მინის გამოყენება ენერგიისა და რესურსების დაზოგვას გვპირდება და არქიტექტურას ახალ შესაძლებლობებს უხსნის. თუმცა, შუშის მცირე სისქის გამო, საჭიროა ახალი დიზაინის გადაწყვეტილებები შუშის ადეკვატურად გასამაგრებლად. ამრიგად, ამ სტატიაში წარმოდგენილი კვლევა იკვლევს კომპოზიტური პანელების კონცეფციას, რომლებიც დამზადებულია თხელი მინისგან და შეკრული გაძლიერებული 3D დაბეჭდილი პოლიმერული ბირთვის სტრუქტურებისგან. მთელი წარმოების პროცესი დიზაინიდან წარმოებამდე გაციფრულია და ავტომატიზებულია. Grasshopper-ის დახმარებით შეიქმნა ფაილიდან ქარხანაში სამუშაო პროცესი, რათა შესაძლებელი ყოფილიყო თხელი მინის კომპოზიტური პანელების გამოყენება მომავალ ფასადებზე.
პირველი პროტოტიპის წარმოებამ აჩვენა რობოტული წარმოების მიზანშეწონილობა და გამოწვევები. მიუხედავად იმისა, რომ დანამატი და სუბტრაქტიული წარმოება უკვე კარგად არის ინტეგრირებული, სრულად ავტომატიზირებული წებოვანი გამოყენება და შეკრება, განსაკუთრებით, წარმოადგენს დამატებით გამოწვევებს, რომლებიც უნდა გადაიჭრას მომავალ კვლევაში. წინასწარი მექანიკური ტესტირებისა და ასოცირებული სასრული ელემენტების კვლევის მოდელირების მეშვეობით ნაჩვენებია, რომ მსუბუქი და თხელი მინაბოჭკოვანი პანელები უზრუნველყოფენ საკმარის ღუნვის სიმტკიცეს მათი დანიშნულების ფასად, თუნდაც ქარის ექსტრემალურ დატვირთვის პირობებში. ავტორთა მიმდინარე კვლევა კიდევ უფრო შეისწავლის ციფრულად დამზადებული თხელი მინის კომპოზიტური პანელების პოტენციალს ფასადის აპლიკაციებისთვის და აჩვენებს მათ ეფექტურობას.
ავტორები მადლობას უხდიან ყველა მხარდამჭერს, რომელიც დაკავშირებულია ამ კვლევით მუშაობასთან. მადლობა EFRE SAB-ის დაფინანსების პროგრამას, რომელიც დაფინანსებულია ევროკავშირის ფონდებიდან გრანტის სახით No. ფინანსური რესურსების უზრუნველსაყოფად მანიპულატორის შესაძენად ექსტრუდერით და საღარავი მოწყობილობით. 100537005. გარდა ამისა, AiF-ZIM აღიარებული იქნა Glasfur3D კვლევითი პროექტის დაფინანსებისთვის (გრანტის ნომერი ZF4123725WZ9) Glaswerkstätten Glas Ahne-თან თანამშრომლობით, რამაც მნიშვნელოვანი მხარდაჭერა გაუწია ამ კვლევით მუშაობას. და ბოლოს, ფრიდრიხ სიმენსის ლაბორატორია და მისი თანამშრომლები, განსაკუთრებით ფელიქს ჰეგევალდი და სტუდენტის ასისტენტი ჯონათან ჰოლცერი, აღიარებენ ფაბრიკაციასა და ფიზიკური ტესტირების ტექნიკურ მხარდაჭერას და განხორციელებას, რაც საფუძვლად დაედო ამ ნაშრომს.