Prototipe panel fasad komposit kaca tipis yang dibuat secara digital

Penggunaan kaca tipis menjanjikan pemenuhan berbagai tugas dalam industri konstruksi. Selain manfaat lingkungan dari penggunaan sumber daya yang lebih efisien, arsitek dapat menggunakan kaca tipis untuk mencapai tingkat kebebasan desain yang baru. Berdasarkan teori sandwich, kaca tipis fleksibel dapat dikombinasikan dengan inti polimer sel terbuka cetak 3D untuk membentuk bentuk yang sangat kaku dan ringan. elemen komposit. Artikel ini menyajikan upaya eksplorasi fabrikasi digital panel fasad komposit kaca tipis menggunakan robot industri. Ini menjelaskan konsep digitalisasi alur kerja pabrik-ke-pabrik, termasuk desain berbantuan komputer (CAD), teknik (CAE), dan manufaktur (CAM). Studi ini menunjukkan proses desain parametrik yang memungkinkan integrasi alat analisis digital tanpa hambatan.
Selain itu, proses ini menunjukkan potensi dan tantangan dalam pembuatan panel komposit kaca tipis secara digital. Beberapa langkah manufaktur yang dilakukan oleh lengan robot industri, seperti manufaktur aditif format besar, pemesinan permukaan, proses pengeleman dan perakitan, dijelaskan di sini. Terakhir, untuk pertama kalinya, pemahaman mendalam tentang sifat mekanik panel komposit telah diperoleh melalui studi eksperimental dan numerik serta evaluasi sifat mekanik panel komposit di bawah pembebanan permukaan. Konsep keseluruhan alur kerja desain dan fabrikasi digital, serta hasil studi eksperimental, memberikan dasar untuk integrasi lebih lanjut dari definisi bentuk dan metode analisis, serta untuk melakukan studi mekanistik ekstensif dalam studi masa depan.
Metode manufaktur digital memungkinkan kita meningkatkan produksi dengan mengubah metode tradisional dan memberikan kemungkinan desain baru [1]. Metode bangunan tradisional cenderung menggunakan material secara berlebihan dalam hal biaya, geometri dasar, dan keamanan. Dengan memindahkan konstruksi ke pabrik, menggunakan prefabrikasi modular dan robotika untuk menerapkan metode desain baru, material dapat digunakan secara efisien tanpa mengorbankan keselamatan. Manufaktur digital memungkinkan kami memperluas imajinasi desain untuk menciptakan bentuk geometris yang lebih beragam, efisien, dan ambisius. Meskipun proses desain dan penghitungan sebagian besar telah didigitalkan, produksi dan perakitan sebagian besar masih dilakukan dengan tangan dengan cara tradisional. Untuk mengatasi struktur bentuk bebas yang semakin kompleks, proses manufaktur digital menjadi semakin penting. Keinginan akan kebebasan dan fleksibilitas desain, terutama dalam hal fasad, terus meningkat. Selain efek visual, fasad bentuk bebas juga memungkinkan Anda membuat struktur yang lebih efisien, misalnya melalui penggunaan efek membran [2]. Selain itu, potensi besar proses manufaktur digital terletak pada efisiensinya dan kemungkinan optimalisasi desain.
Artikel ini mengeksplorasi bagaimana teknologi digital dapat digunakan untuk merancang dan memproduksi panel fasad komposit inovatif yang terdiri dari inti polimer yang dibuat secara aditif dan panel eksterior kaca tipis yang diikat. Selain kemungkinan arsitektur baru yang terkait dengan penggunaan kaca tipis, kriteria lingkungan dan ekonomi juga menjadi motivasi penting untuk menggunakan lebih sedikit material untuk membangun selubung bangunan. Dengan adanya perubahan iklim, kelangkaan sumber daya, dan kenaikan harga energi di masa depan, kaca harus digunakan dengan lebih cerdas. Penggunaan kaca tipis dengan ketebalan kurang dari 2 mm dari industri elektronik membuat fasad menjadi ringan dan mengurangi penggunaan bahan baku.
Karena fleksibilitas yang tinggi dari kaca tipis, membuka kemungkinan baru untuk aplikasi arsitektur dan pada saat yang sama menimbulkan tantangan teknik baru [3,4,5,6]. Meskipun implementasi proyek fasad yang menggunakan kaca tipis masih terbatas, kaca tipis semakin banyak digunakan dalam studi teknik sipil dan arsitektur. Karena tingginya kemampuan kaca tipis terhadap deformasi elastis, penggunaannya pada fasad memerlukan solusi struktural yang diperkuat [7]. Selain memanfaatkan efek membran akibat geometri melengkung [8], momen inersia juga dapat ditingkatkan dengan struktur multilayer yang terdiri dari inti polimer dan lembaran luar kaca tipis yang direkatkan. Pendekatan ini menjanjikan karena penggunaan inti polikarbonat transparan yang keras, yang kurang padat dibandingkan kaca. Selain tindakan mekanis positif, kriteria keselamatan tambahan juga terpenuhi [9].
Pendekatan dalam penelitian berikut didasarkan pada konsep yang sama, namun menggunakan inti tembus pori terbuka yang dibuat secara aditif. Hal ini menjamin tingkat kebebasan geometris dan kemungkinan desain yang lebih tinggi, serta integrasi fungsi fisik bangunan [10]. Panel komposit tersebut telah terbukti sangat efektif dalam pengujian mekanis [11] dan menjanjikan pengurangan jumlah kaca yang digunakan hingga 80%. Hal ini tidak hanya akan mengurangi sumber daya yang dibutuhkan, namun juga secara signifikan mengurangi bobot panel, sehingga meningkatkan efisiensi substruktur. Namun bentuk konstruksi baru memerlukan bentuk produksi baru. Struktur yang efisien memerlukan proses manufaktur yang efisien. Desain digital berkontribusi pada manufaktur digital. Artikel ini melanjutkan penelitian penulis sebelumnya dengan memaparkan kajian proses manufaktur digital panel komposit kaca tipis untuk robot industri. Fokusnya adalah pada digitalisasi alur kerja file-to-factory dari prototipe format besar pertama untuk meningkatkan otomatisasi proses manufaktur.
Panel komposit (Gambar 1) terdiri dari dua lapisan kaca tipis yang melilit inti polimer AM. Kedua bagian tersebut disambung dengan lem. Tujuan dari desain ini adalah untuk mendistribusikan beban ke seluruh bagian seefisien mungkin. Momen lentur menimbulkan tegangan normal pada cangkang. Gaya lateral menyebabkan tegangan geser pada inti dan sambungan perekat.
Lapisan luar struktur sandwich terbuat dari kaca tipis. Pada prinsipnya, kaca silikat soda-kapur akan digunakan. Dengan ketebalan target <2 mm, proses temper termal mencapai batas teknologi saat ini. Kaca aluminosilikat yang diperkuat secara kimia dapat dianggap cocok jika diperlukan kekuatan yang lebih tinggi karena desain (misalnya panel lipat dingin) atau penggunaan [12]. Fungsi transmisi cahaya dan perlindungan lingkungan akan dilengkapi dengan sifat mekanik yang baik seperti ketahanan gores yang baik dan modulus Young yang relatif tinggi dibandingkan material lain yang digunakan dalam komposit. Karena terbatasnya ukuran yang tersedia untuk kaca tipis yang dikeraskan secara kimia, panel kaca soda-kapur setebal 3 mm yang ditempa sepenuhnya digunakan untuk membuat prototipe skala besar pertama.
Struktur pendukung dianggap sebagai bagian berbentuk panel komposit. Hampir semua atribut terpengaruh olehnya. Berkat metode manufaktur aditif, ini juga menjadi pusat proses manufaktur digital. Termoplastik diproses dengan cara peleburan. Hal ini memungkinkan penggunaan sejumlah besar polimer berbeda untuk aplikasi spesifik. Topologi elemen utama dapat dirancang dengan penekanan berbeda tergantung fungsinya. Untuk tujuan ini, desain bentuk dapat dibagi menjadi empat kategori desain berikut: desain struktural, desain fungsional, desain estetika, dan desain produksi. Setiap kategori dapat memiliki tujuan berbeda, yang dapat menyebabkan topologi berbeda.
Selama studi pendahuluan, beberapa desain utama diuji kesesuaian desainnya [11]. Dari sudut pandang mekanis, permukaan inti minimum tiga periode giroskop sangat efektif. Hal ini memberikan ketahanan mekanis yang tinggi terhadap pembengkokan dengan konsumsi material yang relatif rendah. Selain struktur dasar seluler yang direproduksi di wilayah permukaan, topologi juga dapat dihasilkan oleh teknik pencarian bentuk lainnya. Pembuatan garis tegangan adalah salah satu cara yang mungkin untuk mengoptimalkan kekakuan pada bobot serendah mungkin [13]. Namun, struktur sarang lebah, yang banyak digunakan dalam konstruksi sandwich, telah digunakan sebagai titik awal pengembangan jalur produksi. Bentuk dasar ini menghasilkan kemajuan pesat dalam produksi, terutama melalui pemrograman jalur alat yang mudah. Perilakunya pada panel komposit telah dipelajari secara ekstensif [14, 15, 16] dan tampilannya dapat diubah dengan banyak cara melalui parameterisasi dan juga dapat digunakan untuk konsep optimasi awal.
Ada banyak polimer termoplastik yang perlu dipertimbangkan ketika memilih polimer, tergantung pada proses ekstrusi yang digunakan. Studi pendahuluan awal terhadap material skala kecil telah mengurangi jumlah polimer yang dianggap cocok untuk digunakan pada fasad [11]. Polikarbonat (PC) menjanjikan karena tahan panas, tahan UV, dan kekakuan tinggi. Karena investasi teknis dan finansial tambahan yang diperlukan untuk memproses polikarbonat, polietilen tereftalat termodifikasi etilen glikol (PETG) digunakan untuk memproduksi prototipe pertama. Sangat mudah untuk diproses pada suhu yang relatif rendah dengan risiko tekanan termal dan deformasi komponen yang rendah. Prototipe yang ditampilkan di sini terbuat dari PETG daur ulang yang disebut PIPG. Bahan dikeringkan terlebih dahulu pada suhu 60°C selama minimal 4 jam dan diolah menjadi butiran dengan kandungan serat kaca 20% [17].
Perekat memberikan ikatan yang kuat antara struktur inti polimer dan tutup kaca tipis. Ketika panel komposit terkena beban lentur, sambungan perekat akan mengalami tegangan geser. Oleh karena itu, perekat yang lebih keras lebih disukai dan dapat mengurangi defleksi. Perekat bening juga membantu memberikan kualitas visual yang tinggi saat direkatkan ke kaca bening. Faktor penting lainnya ketika memilih perekat adalah kemampuan manufaktur dan integrasi ke dalam proses produksi otomatis. Di sini perekat pengawetan UV dengan waktu pengawetan yang fleksibel dapat sangat menyederhanakan penempatan lapisan penutup. Berdasarkan uji pendahuluan, serangkaian perekat diuji kesesuaiannya untuk panel komposit kaca tipis [18]. Loctite® AA 3345™ UV curable acrylate [19] terbukti sangat cocok untuk proses berikut.
Untuk memanfaatkan kemungkinan manufaktur aditif dan fleksibilitas kaca tipis, seluruh proses dirancang untuk bekerja secara digital dan parametrik. Grasshopper digunakan sebagai antarmuka pemrograman visual, menghindari antarmuka antar program yang berbeda. Semua disiplin ilmu (engineering, engineering dan manufacturing) akan saling mendukung dan melengkapi dalam satu file dengan feedback langsung dari operator. Pada tahap penelitian ini, alur kerja masih dalam pengembangan dan mengikuti pola yang ditunjukkan pada Gambar 2. Berbagai tujuan dapat dikelompokkan ke dalam kategori dalam disiplin ilmu.
Meskipun produksi panel sandwich dalam makalah ini telah diotomatisasi dengan desain dan persiapan fabrikasi yang berpusat pada pengguna, integrasi dan validasi masing-masing alat teknik belum sepenuhnya terwujud. Berdasarkan desain parametrik geometri fasad, dimungkinkan untuk mendesain kulit terluar bangunan pada tingkat makro (fasad) dan meso (panel fasad). Pada langkah kedua, putaran umpan balik teknik bertujuan untuk mengevaluasi keamanan dan kesesuaian serta kelayakan fabrikasi dinding tirai. Terakhir, panel yang dihasilkan siap untuk produksi digital. Program ini memproses struktur inti yang dikembangkan dalam kode G yang dapat dibaca mesin dan mempersiapkannya untuk pembuatan aditif, pasca-pemrosesan subtraktif, dan pengikatan kaca.
Proses desain dipertimbangkan pada dua tingkat yang berbeda. Selain fakta bahwa bentuk makro fasad mempengaruhi geometri setiap panel komposit, topologi inti itu sendiri juga dapat dirancang pada tingkat meso. Saat menggunakan model fasad parametrik, bentuk dan tampilan dapat dipengaruhi oleh contoh bagian fasad menggunakan penggeser yang ditunjukkan pada Gambar 3. Dengan demikian, total permukaan terdiri dari permukaan terukur yang ditentukan pengguna yang dapat diubah bentuknya menggunakan penarik titik dan dimodifikasi dengan menentukan derajat deformasi minimum dan maksimum. Hal ini memberikan tingkat fleksibilitas yang tinggi dalam desain selubung bangunan. Namun, tingkat kebebasan ini dibatasi oleh kendala teknis dan manufaktur, yang kemudian dipengaruhi oleh algoritma di bagian teknik.
Selain tinggi dan lebar seluruh fasad, pembagian panel fasad juga ditentukan. Sedangkan untuk panel fasad individual, dapat didefinisikan lebih tepat pada tingkat meso. Hal ini mempengaruhi topologi struktur inti itu sendiri, serta ketebalan kaca. Kedua variabel ini, serta ukuran panel, mempunyai hubungan penting dengan pemodelan teknik mesin. Perancangan dan pengembangan seluruh tingkat makro dan meso dapat dilakukan dalam hal optimalisasi pada empat kategori yaitu struktur, fungsi, estetika dan desain produk. Pengguna dapat mengembangkan keseluruhan tampilan dan nuansa selubung bangunan dengan memprioritaskan area ini.
Proyek ini didukung oleh bagian teknik menggunakan umpan balik. Untuk mencapai tujuan ini, tujuan dan kondisi batas ditentukan dalam kategori optimasi yang ditunjukkan pada Gambar 2. Tujuan dan kondisi batas tersebut menyediakan koridor yang layak secara teknis, sehat secara fisik, dan aman untuk dibangun dari sudut pandang teknik, yang memiliki dampak signifikan terhadap desain. Inilah titik awal berbagai alat yang dapat diintegrasikan langsung ke dalam Grasshopper. Dalam penyelidikan lebih lanjut, sifat mekanik dapat dievaluasi menggunakan Analisis Elemen Hingga (FEM) atau bahkan perhitungan analitis.
Selain itu, studi radiasi matahari, analisis garis pandang, dan pemodelan durasi sinar matahari dapat mengevaluasi dampak panel komposit terhadap fisika bangunan. Penting untuk tidak terlalu membatasi kecepatan, efisiensi dan fleksibilitas proses desain. Oleh karena itu, hasil yang diperoleh di sini dirancang untuk memberikan panduan dan dukungan tambahan pada proses desain dan bukan merupakan pengganti analisis dan justifikasi terperinci di akhir proses desain. Rencana strategis ini menjadi landasan bagi penelitian kategoris lebih lanjut untuk mendapatkan hasil yang terbukti. Misalnya, masih sedikit yang diketahui tentang perilaku mekanis panel komposit pada berbagai kondisi beban dan dukungan.
Setelah desain dan rekayasa selesai, model siap untuk produksi digital. Proses pembuatannya dibagi menjadi empat sub-tahap (Gbr. 4). Pertama, struktur utama dibuat secara aditif menggunakan fasilitas pencetakan 3D robotik skala besar. Permukaan tersebut kemudian digiling menggunakan sistem robot yang sama untuk meningkatkan kualitas permukaan yang diperlukan untuk ikatan yang baik. Setelah penggilingan, perekat diaplikasikan di sepanjang struktur inti menggunakan sistem takaran yang dirancang khusus yang dipasang pada sistem robotik yang sama yang digunakan untuk proses pencetakan dan penggilingan. Terakhir, kaca dipasang dan diletakkan sebelum proses curing UV pada sambungan yang diikat.
Untuk manufaktur aditif, topologi yang ditentukan dari struktur dasar harus diterjemahkan ke dalam bahasa mesin CNC (GCode). Untuk hasil yang seragam dan berkualitas tinggi, tujuannya adalah untuk mencetak setiap lapisan tanpa nosel ekstruder terjatuh. Hal ini mencegah tekanan berlebih yang tidak diinginkan pada awal dan akhir gerakan. Oleh karena itu, skrip pembuatan lintasan berkelanjutan ditulis untuk pola sel yang digunakan. Ini akan membuat polyline kontinu parametrik dengan titik awal dan akhir yang sama, yang menyesuaikan dengan ukuran panel yang dipilih, jumlah dan ukuran sarang lebah sesuai desain. Selain itu, parameter seperti lebar garis dan tinggi garis dapat ditentukan sebelum memasang garis untuk mencapai ketinggian struktur utama yang diinginkan. Langkah selanjutnya dalam skrip adalah menulis perintah kode-G.
Hal ini dilakukan dengan mencatat koordinat setiap titik pada garis dengan informasi mesin tambahan seperti sumbu lain yang relevan untuk penentuan posisi dan kontrol volume ekstrusi. Kode G yang dihasilkan kemudian dapat ditransfer ke mesin produksi. Dalam contoh ini, lengan robot industri Comau NJ165 pada rel linier digunakan untuk mengontrol ekstruder CEAD E25 sesuai dengan kode G (Gambar 5). Prototipe pertama menggunakan PETG pasca industri dengan kandungan serat kaca 20%. Dari segi pengujian mekanis, ukuran targetnya mendekati ukuran industri konstruksi, sehingga dimensi elemen utamanya adalah 1983 × 876 mm dengan sel sarang lebah 6 × 4. Tinggi 6 mm dan 2 mm.
Uji pendahuluan menunjukkan bahwa terdapat perbedaan kekuatan rekat antara perekat dan resin pencetakan 3D bergantung pada sifat permukaannya. Untuk melakukan hal ini, spesimen uji pembuatan aditif direkatkan atau dilaminasi ke kaca dan dikenakan tegangan atau geser. Selama pemrosesan mekanis awal permukaan polimer dengan penggilingan, kekuatannya meningkat secara signifikan (Gbr. 6). Selain itu, ini meningkatkan kerataan inti dan mencegah cacat yang disebabkan oleh ekstrusi berlebihan. Akrilat LOCTITE® AA 3345™ [19] yang dapat disembuhkan dengan sinar UV yang digunakan di sini sensitif terhadap kondisi pemrosesan.
Hal ini sering kali menghasilkan deviasi standar yang lebih tinggi untuk sampel uji ikatan. Setelah pembuatan aditif, struktur inti digiling pada mesin penggilingan profil. Kode G yang diperlukan untuk operasi ini secara otomatis dihasilkan dari jalur alat yang telah dibuat untuk proses pencetakan 3D. Struktur inti perlu dicetak sedikit lebih tinggi dari tinggi inti yang diinginkan. Dalam contoh ini, struktur inti setebal 18 mm telah dikurangi menjadi 14 mm.
Bagian dari proses manufaktur ini merupakan tantangan besar untuk otomatisasi penuh. Penggunaan perekat sangat menuntut keakuratan dan presisi mesin. Sistem dosis pneumatik digunakan untuk mengaplikasikan perekat di sepanjang struktur inti. Hal ini dipandu oleh robot di sepanjang permukaan penggilingan sesuai dengan jalur pahat yang ditentukan. Ternyata mengganti ujung penyalur tradisional dengan kuas sangatlah menguntungkan. Hal ini memungkinkan perekat dengan viskositas rendah didistribusikan secara merata berdasarkan volume. Besaran ini ditentukan oleh tekanan dalam sistem dan kecepatan robot. Untuk presisi yang lebih baik dan kualitas ikatan yang tinggi, lebih disukai kecepatan gerak rendah 200 hingga 800 mm/menit.
Akrilat dengan viskositas rata-rata 1500 mPa*s diaplikasikan pada dinding inti polimer dengan lebar 6 mm menggunakan sikat takar dengan diameter dalam 0,84 mm dan lebar sikat 5 pada tekanan yang diterapkan 0,3 hingga 0,6 mbar. mm. Perekat kemudian disebarkan ke permukaan substrat dan membentuk lapisan setebal 1 mm akibat tegangan permukaan. Penentuan ketebalan perekat secara pasti belum dapat dilakukan secara otomatis. Durasi proses merupakan kriteria penting dalam memilih perekat. Struktur inti yang diproduksi di sini memiliki panjang lintasan 26 m dan oleh karena itu waktu penerapannya 30 hingga 60 menit.
Setelah mengoleskan perekat, pasang jendela berlapis ganda pada tempatnya. Karena ketebalan bahannya yang rendah, kaca tipis sudah mengalami deformasi yang kuat karena beratnya sendiri dan oleh karena itu harus diposisikan serata mungkin. Untuk ini, digunakan cangkir hisap kaca pneumatik dengan cangkir hisap yang tersebar waktu. Penempatannya pada komponen menggunakan crane, dan kedepannya mungkin akan langsung ditempatkan menggunakan robot. Pelat kaca ditempatkan sejajar dengan permukaan inti pada lapisan perekat. Karena bobotnya yang lebih ringan, pelat kaca tambahan (tebal 4 hingga 6 mm) meningkatkan tekanan di atasnya.
Hasilnya harus berupa pembasahan menyeluruh pada permukaan kaca di sepanjang struktur inti, seperti yang dapat dinilai dari inspeksi visual awal terhadap perbedaan warna yang terlihat. Proses penerapan juga dapat berdampak signifikan terhadap kualitas sambungan akhir yang direkatkan. Setelah direkatkan, panel kaca tidak boleh dipindahkan karena akan mengakibatkan sisa perekat terlihat pada kaca dan cacat pada lapisan perekat sebenarnya. Terakhir, perekat disembuhkan dengan radiasi UV pada panjang gelombang 365 nm. Untuk melakukan ini, lampu UV dengan kepadatan daya 6 mW/cm2 dilewatkan secara bertahap ke seluruh permukaan perekat selama 60 detik.
Konsep panel komposit kaca tipis yang ringan dan dapat disesuaikan dengan inti polimer yang dibuat secara aditif yang dibahas di sini dimaksudkan untuk digunakan pada fasad masa depan. Dengan demikian, panel komposit harus memenuhi standar yang berlaku dan memenuhi persyaratan status batas layanan (SLS), status batas kekuatan ultimat (ULS), dan persyaratan keselamatan. Oleh karena itu, panel komposit harus aman, kuat, dan cukup kaku untuk menahan beban (seperti beban permukaan) tanpa pecah atau mengalami deformasi yang berlebihan. Untuk menyelidiki respons mekanis panel komposit kaca tipis yang dibuat sebelumnya (seperti yang dijelaskan pada bagian Pengujian Mekanis), panel tersebut dilakukan uji beban angin seperti yang dijelaskan pada subbagian berikutnya.
Tujuan pengujian fisik adalah untuk mempelajari sifat mekanik panel komposit dinding luar yang menerima beban angin. Untuk tujuan ini, panel komposit yang terdiri dari lembaran luar kaca tempered penuh setebal 3 mm dan inti yang dibuat secara aditif setebal 14 mm (dari PIPG-GF20) dibuat seperti dijelaskan di atas menggunakan perekat Henkel Loctite AA 3345 (Gbr. 7 kiri). )). . Panel komposit kemudian dipasang ke rangka penyangga kayu dengan sekrup logam yang didorong melalui rangka kayu dan masuk ke sisi struktur utama. 30 sekrup ditempatkan di sekeliling panel (lihat garis hitam di sebelah kiri pada Gambar 7) untuk mereproduksi kondisi dukungan linier di sekeliling panel sedekat mungkin.
Rangka uji kemudian disegel ke dinding uji luar dengan memberikan tekanan angin atau hisapan angin di belakang panel komposit (Gambar 7, kanan atas). Sistem korelasi digital (DIC) digunakan untuk mencatat data. Untuk melakukan ini, kaca luar panel komposit ditutup dengan lembaran elastis tipis yang dicetak di atasnya dengan pola kebisingan mutiara (Gbr. 7, kanan bawah). DIC menggunakan dua kamera untuk merekam posisi relatif semua titik pengukuran di seluruh permukaan kaca. Dua gambar per detik direkam dan digunakan untuk evaluasi. Tekanan dalam ruangan yang dikelilingi panel komposit ditingkatkan melalui kipas dengan penambahan 1000 Pa hingga nilai maksimum 4000 Pa, sehingga setiap level beban dipertahankan selama 10 detik.
Pengaturan fisik percobaan juga diwakili oleh model numerik dengan dimensi geometris yang sama. Untuk ini, program numerik Ansys Mechanical digunakan. Struktur intinya adalah mesh geometris menggunakan elemen heksagonal SOLID 185 dengan sisi 20 mm untuk kaca dan elemen tetrahedral SOLID 187 dengan sisi 3 mm. Untuk menyederhanakan pemodelan, pada tahap penelitian ini, diasumsikan bahwa akrilat yang digunakan idealnya kaku dan tipis, dan didefinisikan sebagai ikatan kaku antara kaca dan bahan inti.
Panel komposit dipasang dalam garis lurus di luar inti, dan panel kaca dikenakan beban tekanan permukaan sebesar 4000 Pa. Meskipun nonlinier geometris diperhitungkan dalam pemodelan, hanya model material linier yang digunakan pada tahap ini. belajar. Meskipun asumsi ini valid untuk respons elastis linier kaca (E = 70.000 MPa), menurut lembar data produsen bahan inti polimer (viskoelastik) [17], kekakuan linier E = 8245 MPa digunakan dalam analisis saat ini harus dipertimbangkan secara ketat dan akan dipelajari dalam penelitian masa depan.
Hasil yang disajikan di sini dievaluasi terutama untuk deformasi pada beban angin maksimum hingga 4000 Pa (=ˆ4kN/m2). Untuk itu, gambar yang direkam dengan metode DIC dibandingkan dengan hasil simulasi numerik (FEM) (Gbr. 8, kanan bawah). Meskipun regangan total ideal sebesar 0 mm dengan tumpuan linier “ideal” di daerah tepi (yaitu keliling panel) dihitung dalam FEM, perpindahan fisik daerah tepi harus diperhitungkan ketika mengevaluasi DIC. Hal ini disebabkan oleh toleransi pemasangan dan deformasi rangka uji serta segelnya. Sebagai perbandingan, perpindahan rata-rata di daerah tepi (garis putih putus-putus pada Gambar 8) dikurangi dari perpindahan maksimum di tengah panel. Perpindahan yang ditentukan oleh DIC dan FEA dibandingkan pada Tabel 1 dan ditunjukkan secara grafis di sudut kiri atas Gambar 8.
Empat tingkat beban yang diterapkan pada model eksperimental digunakan sebagai titik kontrol untuk evaluasi dan dievaluasi dalam FEM. Perpindahan sentral maksimum pelat komposit dalam keadaan tanpa beban ditentukan dengan pengukuran DIC pada tingkat beban 4000 Pa sebesar 2,18 mm. Meskipun perpindahan FEA pada beban yang lebih rendah (hingga 2000 Pa) masih dapat mereproduksi nilai eksperimen secara akurat, peningkatan regangan non-linier pada beban yang lebih tinggi tidak dapat dihitung secara akurat.
Namun penelitian menunjukkan bahwa panel komposit mampu menahan beban angin yang ekstrim. Kekakuan tinggi dari panel ringan sangat menonjol. Menggunakan perhitungan analitik berdasarkan teori linier pelat Kirchhoff [20], deformasi 2,18 mm pada 4000 Pa sesuai dengan deformasi pelat kaca tunggal setebal 12 mm pada kondisi batas yang sama. Hasilnya, ketebalan kaca (yang boros energi dalam produksinya) pada panel komposit ini dapat dikurangi menjadi kaca 2 x 3 mm, sehingga menghasilkan penghematan material sebesar 50%. Mengurangi bobot keseluruhan panel memberikan manfaat tambahan dalam hal perakitan. Meskipun panel komposit seberat 30 kg dapat dengan mudah ditangani oleh dua orang, panel kaca tradisional seberat 50 kg memerlukan dukungan teknis agar dapat dipindahkan dengan aman. Untuk mewakili perilaku mekanik secara akurat, model numerik yang lebih rinci akan diperlukan dalam penelitian selanjutnya. Analisis elemen hingga dapat lebih ditingkatkan dengan model material nonlinier yang lebih luas untuk polimer dan pemodelan ikatan perekat.
Pengembangan dan peningkatan proses digital memainkan peran penting dalam meningkatkan kinerja ekonomi dan lingkungan dalam industri konstruksi. Selain itu, penggunaan kaca tipis pada fasad menjanjikan penghematan energi dan sumber daya serta membuka kemungkinan baru dalam arsitektur. Namun, karena ketebalan kaca yang kecil, diperlukan solusi desain baru untuk memperkuat kaca secara memadai. Oleh karena itu, penelitian yang disajikan dalam artikel ini mengeksplorasi konsep panel komposit yang terbuat dari kaca tipis dan struktur inti polimer cetak 3D yang diperkuat dan diikat. Seluruh proses produksi mulai dari desain hingga produksi telah didigitalkan dan diotomatisasi. Dengan bantuan Grasshopper, alur kerja file-to-factory dikembangkan untuk memungkinkan penggunaan panel komposit kaca tipis pada fasad masa depan.
Produksi prototipe pertama menunjukkan kelayakan dan tantangan manufaktur robot. Meskipun manufaktur aditif dan subtraktif sudah terintegrasi dengan baik, penerapan dan perakitan perekat yang sepenuhnya otomatis menghadirkan tantangan tambahan yang harus diatasi dalam penelitian di masa depan. Melalui pengujian mekanis pendahuluan dan pemodelan penelitian elemen hingga terkait, telah ditunjukkan bahwa panel fiberglass yang ringan dan tipis memberikan kekakuan lentur yang cukup untuk aplikasi fasad yang diinginkan, bahkan di bawah kondisi beban angin ekstrem. Penelitian berkelanjutan penulis akan mengeksplorasi lebih jauh potensi panel komposit kaca tipis yang dibuat secara digital untuk aplikasi fasad dan menunjukkan efektivitasnya.
Penulis mengucapkan terima kasih kepada semua pendukung yang terkait dengan pekerjaan penelitian ini. Berkat program pendanaan EFRE SAB yang didanai dari dana Uni Eropa dalam bentuk hibah No. untuk menyediakan sumber daya keuangan untuk pembelian manipulator dengan ekstruder dan perangkat penggilingan. 100537005. Selain itu, AiF-ZIM diakui mendanai proyek penelitian Glasfur3D (nomor hibah ZF4123725WZ9) bekerja sama dengan Glaswerkstätten Glas Ahne, yang memberikan dukungan signifikan untuk pekerjaan penelitian ini. Terakhir, Laboratorium Friedrich Siemens dan kolaboratornya, khususnya Felix Hegewald dan asisten mahasiswa Jonathan Holzerr, mengucapkan terima kasih atas dukungan teknis dan implementasi fabrikasi dan pengujian fisik yang menjadi dasar makalah ini.