El uso de vidrio fino promete la realización de diversas tareas en el sector de la construcción. Además de los beneficios medioambientales de un uso más eficiente de los recursos, los arquitectos pueden utilizar vidrio fino para lograr nuevos grados de libertad de diseño. Basado en la teoría del sándwich, el vidrio delgado y flexible se puede combinar con un núcleo de polímero de celda abierta impreso en 3D para formar vidrio muy rígido y liviano.
elementos compuestos. Este artículo presenta un intento exploratorio de fabricación digital de paneles delgados de fachada de compuesto de vidrio utilizando robots industriales. Explica el concepto de digitalizar los flujos de trabajo de fábrica a fábrica, incluido el diseño asistido por computadora (CAD), la ingeniería (CAE) y la fabricación (CAM). El estudio demuestra un proceso de diseño paramétrico que permite una integración perfecta de herramientas de análisis digital.
Además, este proceso demuestra el potencial y los desafíos de la fabricación digital de paneles compuestos de vidrio delgados. A continuación se explican algunos de los pasos de fabricación que realiza un brazo robótico industrial, como son la fabricación aditiva de gran formato, el mecanizado de superficies, los procesos de pegado y montaje. Finalmente, por primera vez, se ha obtenido una comprensión profunda de las propiedades mecánicas de los paneles compuestos mediante estudios experimentales y numéricos y la evaluación de las propiedades mecánicas de los paneles compuestos bajo carga superficial. El concepto general de flujo de trabajo de fabricación y diseño digital, así como los resultados de estudios experimentales, proporcionan una base para una mayor integración de los métodos de análisis y definición de formas, así como para realizar estudios mecanicistas extensos en estudios futuros.
Los métodos de fabricación digital nos permiten mejorar la producción transformando los métodos tradicionales y brindando nuevas posibilidades de diseño [1]. Los métodos de construcción tradicionales tienden a hacer un uso excesivo de los materiales en términos de costo, geometría básica y seguridad. Al trasladar la construcción a las fábricas, utilizando la prefabricación modular y la robótica para implementar nuevos métodos de diseño, los materiales se pueden utilizar de manera eficiente sin comprometer la seguridad. La fabricación digital nos permite ampliar nuestra imaginación de diseño para crear formas geométricas más diversas, eficientes y ambiciosas. Si bien los procesos de diseño y cálculo se han digitalizado en gran medida, la fabricación y el montaje todavía se realizan en gran medida a mano de forma tradicional. Para hacer frente a estructuras de forma libre cada vez más complejas, los procesos de fabricación digitales son cada vez más importantes. El deseo de libertad y flexibilidad en el diseño, especialmente en el caso de las fachadas, crece constantemente. Además del efecto visual, las fachadas de forma libre también permiten crear estructuras más eficientes, por ejemplo, mediante el uso de efectos de membrana [2]. Además, el gran potencial de los procesos de fabricación digital reside en su eficiencia y la posibilidad de optimización del diseño.
Este artículo explora cómo se puede utilizar la tecnología digital para diseñar y fabricar un panel de fachada compuesto innovador que consta de un núcleo de polímero fabricado aditivamente y paneles exteriores de vidrio fino unidos. Además de las nuevas posibilidades arquitectónicas asociadas con el uso de vidrio fino, los criterios medioambientales y económicos también han sido motivaciones importantes para utilizar menos material para construir la envolvente del edificio. Con el cambio climático, la escasez de recursos y el aumento de los precios de la energía en el futuro, el vidrio debe usarse de manera más inteligente. El uso de vidrio fino de menos de 2 mm de espesor procedente de la industria electrónica aporta luminosidad a la fachada y reduce el uso de materias primas.
Debido a la alta flexibilidad del vidrio delgado, abre nuevas posibilidades para aplicaciones arquitectónicas y al mismo tiempo plantea nuevos desafíos de ingeniería [3,4,5,6]. Si bien la implementación actual de proyectos de fachadas que utilizan vidrio fino es limitada, el vidrio fino se utiliza cada vez más en estudios de ingeniería civil y arquitectura. Debido a la alta capacidad del vidrio delgado para deformarse elásticamente, su uso en fachadas requiere soluciones estructurales reforzadas [7]. Además de aprovechar el efecto membrana debido a la geometría curva [8], el momento de inercia también se puede aumentar mediante una estructura multicapa que consta de un núcleo de polímero y una fina lámina exterior de vidrio pegada. Este enfoque ha resultado prometedor debido al uso de un núcleo de policarbonato duro y transparente, que es menos denso que el vidrio. Además de la acción mecánica positiva, se cumplieron criterios de seguridad adicionales [9].
El enfoque del siguiente estudio se basa en el mismo concepto, pero utilizando un núcleo translúcido de poro abierto fabricado aditivamente. Esto garantiza un mayor grado de libertad geométrica y posibilidades de diseño, así como la integración de las funciones físicas del edificio [10]. Estos paneles compuestos han demostrado ser particularmente eficaces en pruebas mecánicas [11] y prometen reducir la cantidad de vidrio utilizada hasta en un 80%. Esto no sólo reducirá los recursos necesarios, sino que también reducirá significativamente el peso de los paneles, aumentando así la eficiencia de la subestructura. Pero las nuevas formas de construcción requieren nuevas formas de producción. Las estructuras eficientes requieren procesos de fabricación eficientes. El diseño digital contribuye a la fabricación digital. Este artículo continúa la investigación anterior del autor presentando un estudio del proceso de fabricación digital de paneles finos compuestos de vidrio para robots industriales. La atención se centra en digitalizar el flujo de trabajo desde el archivo hasta la fábrica de los primeros prototipos de gran formato para aumentar la automatización del proceso de fabricación.
El panel compuesto (Figura 1) consta de dos finas capas de vidrio envueltas alrededor de un núcleo de polímero AM. Las dos partes están unidas con pegamento. El propósito de este diseño es distribuir la carga en toda la sección de la manera más eficiente posible. Los momentos de flexión crean tensiones normales en la carcasa. Las fuerzas laterales provocan tensiones de corte en el núcleo y las uniones adhesivas.
La capa exterior de la estructura tipo sándwich está hecha de vidrio fino. En principio se utilizará vidrio de silicato sodocálcico. Con un espesor objetivo < 2 mm, el proceso de templado térmico alcanza el límite tecnológico actual. El vidrio de aluminosilicato reforzado químicamente puede considerarse particularmente adecuado si se requiere mayor resistencia debido al diseño (por ejemplo, paneles plegados en frío) o al uso [12]. Las funciones de transmisión de luz y protección ambiental se complementarán con buenas propiedades mecánicas, como una buena resistencia al rayado y un módulo de Young relativamente alto en comparación con otros materiales utilizados en compuestos. Debido al tamaño limitado disponible para el vidrio delgado endurecido químicamente, se utilizaron paneles de vidrio sodocálcico totalmente templado de 3 mm de espesor para crear el primer prototipo a gran escala.
La estructura de soporte se considera una parte conformada del panel compuesto. Casi todos los atributos se ven afectados por esto. Gracias al método de fabricación aditiva, también es el centro del proceso de fabricación digital. Los termoplásticos se procesan mediante fusión. Esto hace posible utilizar una gran cantidad de polímeros diferentes para aplicaciones específicas. La topología de los elementos principales se puede diseñar con diferente énfasis dependiendo de su función. Para este propósito, el diseño de formas se puede dividir en las siguientes cuatro categorías de diseño: diseño estructural, diseño funcional, diseño estético y diseño de producción. Cada categoría puede tener diferentes propósitos, lo que puede dar lugar a diferentes topologías.
Durante el estudio preliminar, se probó la idoneidad de algunos de los diseños principales [11]. Desde el punto de vista mecánico, la superficie central mínima de tres períodos del giroscopio es especialmente eficaz. Esto proporciona una alta resistencia mecánica a la flexión con un consumo de material relativamente bajo. Además de las estructuras básicas celulares reproducidas en las regiones de la superficie, la topología también puede generarse mediante otras técnicas de búsqueda de formas. La generación de líneas de tensión es una de las posibles formas de optimizar la rigidez con el menor peso posible [13]. Sin embargo, la estructura alveolar, muy utilizada en construcciones tipo sándwich, se ha utilizado como punto de partida para el desarrollo de la línea de producción. Esta forma básica conduce a un rápido progreso en la producción, especialmente a través de una sencilla programación de trayectorias de herramientas. Su comportamiento en paneles compuestos ha sido ampliamente estudiado [14, 15, 16] y la apariencia se puede cambiar de muchas maneras mediante parametrización y también se puede utilizar para conceptos iniciales de optimización.
Hay muchos polímeros termoplásticos a considerar al elegir un polímero, según el proceso de extrusión utilizado. Los estudios preliminares iniciales de materiales a pequeña escala han reducido el número de polímeros considerados adecuados para su uso en fachadas [11]. El policarbonato (PC) es prometedor debido a su resistencia al calor, a los rayos UV y a su alta rigidez. Debido a la inversión técnica y financiera adicional necesaria para procesar el policarbonato, se utilizó tereftalato de polietileno modificado con etilenglicol (PETG) para producir los primeros prototipos. Es particularmente fácil de procesar a temperaturas relativamente bajas con un bajo riesgo de tensión térmica y deformación de los componentes. El prototipo que se muestra aquí está fabricado a partir de PETG reciclado llamado PIPG. El material se secó preliminarmente a 60°C durante al menos 4 h y se procesó hasta obtener gránulos con un contenido de fibra de vidrio del 20% [17].
El adhesivo proporciona una fuerte unión entre la estructura del núcleo de polímero y la delgada tapa de vidrio. Cuando los paneles compuestos se someten a cargas de flexión, las juntas adhesivas están sometidas a esfuerzos de corte. Por lo tanto, se prefiere un adhesivo más duro que pueda reducir la deflexión. Los adhesivos transparentes también ayudan a proporcionar una alta calidad visual cuando se adhieren a vidrio transparente. Otro factor importante a la hora de elegir un adhesivo es la capacidad de fabricación y la integración en procesos de producción automatizados. En este caso, los adhesivos de curado UV con tiempos de curado flexibles pueden simplificar enormemente la colocación de las capas de cobertura. Basándose en pruebas preliminares, se probó una serie de adhesivos para determinar su idoneidad para paneles compuestos de vidrio delgados [18]. El acrilato curable por UV Loctite® AA 3345™ [19] demostró ser particularmente adecuado para el siguiente proceso.
Para aprovechar las posibilidades de la fabricación aditiva y la flexibilidad del vidrio fino, todo el proceso se diseñó para funcionar de forma digital y paramétrica. Grasshopper se utiliza como interfaz de programación visual, evitando interfaces entre diferentes programas. Todas las disciplinas (ingeniería, ingeniería y fabricación) se apoyarán y complementarán entre sí en un solo archivo con retroalimentación directa del operador. En esta etapa del estudio, el flujo de trabajo aún está en desarrollo y sigue el patrón que se muestra en la Figura 2. Los diferentes objetivos se pueden agrupar en categorías dentro de disciplinas.
Aunque la producción de paneles sándwich en este documento se ha automatizado con un diseño y preparación de fabricación centrados en el usuario, la integración y validación de herramientas de ingeniería individuales no se ha realizado por completo. Basado en el diseño paramétrico de la geometría de la fachada, es posible diseñar la capa exterior del edificio a nivel macro (fachada) y meso (paneles de fachada). En el segundo paso, el circuito de retroalimentación de ingeniería tiene como objetivo evaluar la seguridad y la idoneidad, así como la viabilidad de la fabricación de muros cortina. Finalmente, los paneles resultantes están listos para la producción digital. El programa procesa la estructura central desarrollada en código G legible por máquina y la prepara para la fabricación aditiva, el posprocesamiento sustractivo y la unión de vidrio.
El proceso de diseño se considera en dos niveles diferentes. Además de que la macroforma de las fachadas afecta a la geometría de cada panel compuesto, la topología del propio núcleo también se puede diseñar a nivel meso. Cuando se utiliza un modelo de fachada paramétrico, la forma y la apariencia pueden verse influenciadas por las secciones de fachada de ejemplo usando los controles deslizantes que se muestran en la Figura 3. Por lo tanto, la superficie total consiste en una superficie escalable definida por el usuario que puede deformarse usando atractores de puntos y modificarse mediante especificando un grado mínimo y máximo de deformación. Esto proporciona un alto grado de flexibilidad en el diseño de la envolvente del edificio. Sin embargo, este grado de libertad está limitado por limitaciones técnicas y de fabricación, que luego se ven incrementadas por los algoritmos de la parte de ingeniería.
Además de la altura y el ancho de toda la fachada, se determina la división de los paneles de fachada. En cuanto a los paneles de fachada individuales, se pueden definir con mayor precisión a nivel meso. Esto afecta a la topología de la propia estructura central, así como al espesor del vidrio. Estas dos variables, así como el tamaño del panel, tienen una relación importante con el modelado en ingeniería mecánica. El diseño y desarrollo de todo el nivel macro y meso se puede realizar en términos de optimización en las cuatro categorías de estructura, función, estética y diseño de producto. Los usuarios pueden desarrollar la apariencia general de la envolvente del edificio priorizando estas áreas.
El proyecto está respaldado por la parte de ingeniería mediante un circuito de retroalimentación. Con este fin, los objetivos y las condiciones de contorno se definen en la categoría de optimización que se muestra en la Fig. 2. Proporcionan corredores que son técnicamente factibles, físicamente sólidos y seguros de construir desde un punto de vista de ingeniería, lo que tiene un impacto significativo en el diseño. Este es el punto de partida para varias herramientas que se pueden integrar directamente en Grasshopper. En investigaciones posteriores, las propiedades mecánicas se pueden evaluar mediante análisis de elementos finitos (FEM) o incluso cálculos analíticos.
Además, los estudios de radiación solar, el análisis de la línea de visión y los modelos de duración de la luz solar pueden evaluar el impacto de los paneles compuestos en la física de la construcción. Es importante no limitar demasiado la velocidad, eficiencia y flexibilidad del proceso de diseño. Como tal, los resultados obtenidos aquí han sido diseñados para proporcionar orientación y apoyo adicionales al proceso de diseño y no sustituyen el análisis detallado y la justificación al final del proceso de diseño. Este plan estratégico sienta las bases para futuras investigaciones categóricas para obtener resultados comprobados. Por ejemplo, todavía se sabe poco sobre el comportamiento mecánico de los paneles compuestos bajo diversas condiciones de carga y soporte.
Una vez que se completan el diseño y la ingeniería, el modelo está listo para la producción digital. El proceso de fabricación se divide en cuatro subetapas (Fig. 4). En primer lugar, la estructura principal se fabricó de forma aditiva utilizando una instalación de impresión robótica 3D a gran escala. Luego, la superficie se fresa utilizando el mismo sistema robótico para mejorar la calidad de la superficie necesaria para una buena unión. Después del fresado, el adhesivo se aplica a lo largo de la estructura central mediante un sistema de dosificación especialmente diseñado montado en el mismo sistema robótico utilizado para el proceso de impresión y fresado. Finalmente, el vidrio se instala y coloca antes del curado UV de la junta adherida.
Para la fabricación aditiva, la topología definida de la estructura subyacente debe traducirse al lenguaje de máquina CNC (GCode). Para obtener resultados uniformes y de alta calidad, el objetivo es imprimir cada capa sin que se caiga la boquilla del extrusor. Esto evita una sobrepresión no deseada al inicio y al final del movimiento. Por lo tanto, se escribió un guión de generación de trayectoria continua para el patrón celular que se estaba utilizando. Esto creará una polilínea continua paramétrica con los mismos puntos inicial y final, que se adapta al tamaño del panel seleccionado, número y tamaño de panales según el diseño. Además, se pueden especificar parámetros como el ancho y la altura de la línea antes de colocar las líneas para lograr la altura deseada de la estructura principal. El siguiente paso en el script es escribir los comandos del código G.
Esto se hace registrando las coordenadas de cada punto de la línea con información adicional de la máquina, como otros ejes relevantes para el posicionamiento y el control del volumen de extrusión. El código G resultante se puede transferir a las máquinas de producción. En este ejemplo, se utiliza un brazo robótico industrial Comau NJ165 sobre un carril lineal para controlar una extrusora CEAD E25 según el código G (Figura 5). El primer prototipo utilizó PETG postindustrial con un contenido de fibra de vidrio del 20%. En términos de pruebas mecánicas, el tamaño objetivo se acerca al tamaño de la industria de la construcción, por lo que las dimensiones del elemento principal son 1983 × 876 mm con celdas alveolares de 6 × 4. 6 mm y 2 mm de alto.
Las pruebas preliminares han demostrado que existe una diferencia en la fuerza adhesiva entre el adhesivo y la resina de impresión 3D dependiendo de las propiedades de su superficie. Para ello, se pegan o laminan muestras de ensayo de fabricación aditiva sobre vidrio y se someten a tensión o cizallamiento. Durante el procesamiento mecánico preliminar de la superficie del polímero mediante fresado, la resistencia aumentó significativamente (Fig. 6). Además, mejora la planitud del núcleo y previene defectos provocados por la sobreextrusión. El acrilato LOCTITE® AA 3345™ [19] curable por UV utilizado aquí es sensible a las condiciones de procesamiento.
Esto a menudo da como resultado una desviación estándar más alta para las muestras de prueba de adherencia. Después de la fabricación aditiva, la estructura central se fresa en una fresadora de perfiles. El código G requerido para esta operación se genera automáticamente a partir de trayectorias de herramientas ya creadas para el proceso de impresión 3D. La estructura del núcleo debe imprimirse ligeramente por encima de la altura del núcleo prevista. En este ejemplo, la estructura central de 18 mm de espesor se ha reducido a 14 mm.
Esta parte del proceso de fabricación es un desafío importante para la automatización total. El uso de adhesivos impone altas exigencias a la exactitud y precisión de las máquinas. El sistema de dosificación neumática se utiliza para aplicar el adhesivo a lo largo de la estructura del núcleo. El robot lo guía a lo largo de la superficie de fresado según la trayectoria definida de la herramienta. Resulta que sustituir la punta dispensadora tradicional por un cepillo resulta especialmente ventajoso. Esto permite que los adhesivos de baja viscosidad se dispensen uniformemente por volumen. Esta cantidad está determinada por la presión en el sistema y la velocidad del robot. Para una mayor precisión y una alta calidad de unión, se prefieren velocidades de desplazamiento bajas de 200 a 800 mm/min.
Se aplicó acrilato con una viscosidad media de 1500 mPa*s sobre la pared del núcleo de polímero de 6 mm de ancho con un cepillo dosificador con un diámetro interior de 0,84 mm y un ancho de cepillo de 5 con una presión aplicada de 0,3 a 0,6 mbar. mm. Luego, el adhesivo se extiende sobre la superficie del sustrato y forma una capa de 1 mm de espesor debido a la tensión superficial. La determinación exacta del espesor del adhesivo todavía no se puede automatizar. La duración del proceso es un criterio importante para elegir un adhesivo. La estructura central fabricada aquí tiene una longitud de vía de 26 m y, por lo tanto, un tiempo de aplicación de 30 a 60 minutos.
Después de aplicar el adhesivo, instale la ventana de doble acristalamiento en su lugar. Debido al reducido espesor del material, el vidrio fino ya se deforma fuertemente por su propio peso y, por lo tanto, debe colocarse lo más uniformemente posible. Para ello se utilizan ventosas de vidrio neumáticas con ventosas de dispersión temporal. Se coloca sobre el componente mediante una grúa y en el futuro se podrá colocar directamente mediante robots. La placa de vidrio se colocó paralela a la superficie del núcleo sobre la capa adhesiva. Debido al menor peso, una placa de vidrio adicional (de 4 a 6 mm de espesor) aumenta la presión sobre el mismo.
El resultado debería ser una humectación completa de la superficie del vidrio a lo largo de la estructura central, como se puede juzgar a partir de una inspección visual inicial de las diferencias de color visibles. El proceso de aplicación también puede tener un impacto significativo en la calidad de la unión adherida final. Una vez unidos, los paneles de vidrio no se deben mover, ya que esto provocará residuos de adhesivo visibles en el vidrio y defectos en la capa adhesiva real. Finalmente, el adhesivo se endurece con radiación UV a una longitud de onda de 365 nm. Para ello, se pasa gradualmente una lámpara UV con una densidad de potencia de 6 mW/cm2 sobre toda la superficie adhesiva durante 60 s.
El concepto de paneles compuestos de vidrio delgados, livianos y personalizables con núcleo de polímero fabricado aditivamente que se analiza aquí está diseñado para su uso en fachadas futuras. Por lo tanto, los paneles compuestos deben cumplir con las normas aplicables y cumplir con los requisitos de estados límite de servicio (SLS), estados límite de resistencia última (ULS) y requisitos de seguridad. Por lo tanto, los paneles compuestos deben ser lo suficientemente seguros, fuertes y rígidos para soportar cargas (como cargas superficiales) sin romperse ni deformarse excesivamente. Para investigar la respuesta mecánica de paneles compuestos de vidrio delgados fabricados previamente (como se describe en la sección Pruebas mecánicas), se sometieron a pruebas de carga de viento como se describe en la siguiente subsección.
El objetivo de las pruebas físicas es estudiar las propiedades mecánicas de los paneles compuestos de paredes exteriores bajo cargas de viento. Con este fin, se fabricaron paneles compuestos que consistían en una lámina exterior de vidrio templado de 3 mm de espesor y un núcleo fabricado aditivamente de 14 mm de espesor (de PIPG-GF20) como se describió anteriormente usando el adhesivo Henkel Loctite AA 3345 (Fig. 7 izquierda). )). . Luego, los paneles compuestos se fijan al marco de soporte de madera con tornillos metálicos que se introducen a través del marco de madera y hacia los lados de la estructura principal. Se colocaron 30 tornillos alrededor del perímetro del panel (ver la línea negra a la izquierda en la Fig. 7) para reproducir lo más fielmente posible las condiciones de soporte lineal alrededor del perímetro.
Luego, el marco de prueba se selló a la pared de prueba exterior aplicando presión o succión del viento detrás del panel compuesto (Figura 7, arriba a la derecha). Se utiliza un sistema de correlación digital (DIC) para registrar datos. Para ello, se cubre el vidrio exterior del panel compuesto con una fina lámina elástica impresa con un patrón de ruido perlado (Fig. 7, abajo a la derecha). DIC utiliza dos cámaras para registrar la posición relativa de todos los puntos de medición en toda la superficie del vidrio. Se grabaron dos imágenes por segundo y se utilizaron para la evaluación. La presión en la cámara, rodeada de paneles compuestos, se aumenta mediante un ventilador en incrementos de 1000 Pa hasta un valor máximo de 4000 Pa, de modo que cada nivel de carga se mantiene durante 10 segundos.
La configuración física del experimento también está representada por un modelo numérico con las mismas dimensiones geométricas. Para ello se utiliza el programa numérico Ansys Mechanical. La estructura central fue una malla geométrica utilizando elementos hexagonales SOLID 185 con lados de 20 mm para vidrio y elementos tetraédricos SOLID 187 con lados de 3 mm. Para simplificar el modelado, en esta etapa del estudio, se supone que el acrilato utilizado es idealmente rígido y delgado, y se define como una unión rígida entre el vidrio y el material del núcleo.
Los paneles compuestos se fijan en línea recta fuera del núcleo y el panel de vidrio se somete a una carga de presión superficial de 4000 Pa. Aunque se tuvieron en cuenta las no linealidades geométricas en el modelado, en esta etapa del proceso solo se utilizaron modelos de materiales lineales. estudiar. Aunque esta es una suposición válida para la respuesta elástica lineal del vidrio (E = 70.000 MPa), según la hoja de datos del fabricante del material del núcleo polimérico (viscoelástico) [17], se utilizó la rigidez lineal E = 8245 MPa en El análisis actual debe considerarse rigurosamente y se estudiará en futuras investigaciones.
Los resultados presentados aquí se evalúan principalmente para deformaciones con cargas de viento máximas de hasta 4000 Pa (=ˆ4kN/m2). Para ello, las imágenes registradas por el método DIC se compararon con los resultados de la simulación numérica (FEM) (Fig. 8, abajo a la derecha). Si bien en el FEM se calcula una deformación total ideal de 0 mm con soportes lineales "ideales" en la región del borde (es decir, el perímetro del panel), se debe tener en cuenta el desplazamiento físico de la región del borde al evaluar el DIC. Esto se debe a las tolerancias de instalación y a la deformación del marco de prueba y sus sellos. A modo de comparación, el desplazamiento promedio en la región del borde (línea blanca discontinua en la Fig. 8) se restó del desplazamiento máximo en el centro del panel. Los desplazamientos determinados por DIC y FEA se comparan en la Tabla 1 y se muestran gráficamente en la esquina superior izquierda de la Fig. 8.
Los cuatro niveles de carga aplicados del modelo experimental se utilizaron como puntos de control para la evaluación y se evaluaron en el FEM. El desplazamiento central máximo de la placa compuesta en estado descargado se determinó mediante mediciones DIC a un nivel de carga de 4000 Pa a 2,18 mm. Si bien los desplazamientos FEA con cargas más bajas (hasta 2000 Pa) aún pueden reproducir con precisión los valores experimentales, el aumento no lineal de la deformación con cargas más altas no se puede calcular con precisión.
Sin embargo, los estudios han demostrado que los paneles compuestos pueden soportar cargas de viento extremas. Destaca especialmente la alta rigidez de los paneles ligeros. Utilizando cálculos analíticos basados en la teoría lineal de placas de Kirchhoff [20], una deformación de 2,18 mm a 4000 Pa corresponde a la deformación de una única placa de vidrio de 12 mm de espesor en las mismas condiciones límite. Como resultado, el espesor del vidrio (que consume mucha energía en su producción) en este panel compuesto se puede reducir a vidrio de 2 x 3 mm, lo que resulta en un ahorro de material del 50%. La reducción del peso total del panel proporciona beneficios adicionales en términos de montaje. Mientras que dos personas pueden manipular fácilmente un panel compuesto de 30 kg, un panel de vidrio tradicional de 50 kg requiere soporte técnico para moverse con seguridad. Para representar con precisión el comportamiento mecánico, se requerirán modelos numéricos más detallados en estudios futuros. El análisis de elementos finitos se puede mejorar aún más con modelos de materiales no lineales más extensos para polímeros y modelado de enlaces adhesivos.
El desarrollo y la mejora de los procesos digitales juegan un papel clave en la mejora del desempeño económico y ambiental en la industria de la construcción. Además, el uso de vidrio fino en fachadas promete ahorro de energía y recursos y abre nuevas posibilidades para la arquitectura. Sin embargo, debido al pequeño espesor del vidrio, se requieren nuevas soluciones de diseño para reforzarlo adecuadamente. Por lo tanto, el estudio presentado en este artículo explora el concepto de paneles compuestos hechos de vidrio delgado y estructuras centrales de polímero impresas en 3D reforzadas y unidas. Todo el proceso productivo desde el diseño hasta la producción ha sido digitalizado y automatizado. Con la ayuda de Grasshopper, se desarrolló un flujo de trabajo desde el archivo hasta la fábrica para permitir el uso de paneles finos compuestos de vidrio en fachadas futuras.
La producción del primer prototipo demostró la viabilidad y los desafíos de la fabricación robótica. Si bien la fabricación aditiva y sustractiva ya están bien integradas, la aplicación y el ensamblaje de adhesivos totalmente automatizados en particular presentan desafíos adicionales que se abordarán en futuras investigaciones. A través de pruebas mecánicas preliminares y modelos de investigación de elementos finitos asociados, se ha demostrado que los paneles de fibra de vidrio delgados y livianos brindan suficiente rigidez a la flexión para las aplicaciones de fachada previstas, incluso en condiciones extremas de carga de viento. La investigación en curso de los autores explorará más a fondo el potencial de los delgados paneles compuestos de vidrio fabricados digitalmente para aplicaciones de fachadas y demostrará su eficacia.
Los autores desean agradecer a todos los partidarios asociados con este trabajo de investigación. Gracias al programa de financiación EFRE SAB financiado con fondos de la Unión Europea en forma de subvención nº para dotar de recursos económicos para la compra de un manipulador con extrusora y fresadora. 100537005. Además, AiF-ZIM recibió un reconocimiento por financiar el proyecto de investigación Glasfur3D (número de subvención ZF4123725WZ9) en colaboración con Glaswerkstätten Glas Ahne, que brindó un apoyo significativo para este trabajo de investigación. Finalmente, el Laboratorio Friedrich Siemens y sus colaboradores, especialmente Felix Hegewald y el asistente estudiantil Jonathan Holzerr, agradecen el apoyo técnico y la implementación de la fabricación y las pruebas físicas que formaron la base de este artículo.
Hora de publicación: 04-ago-2023