Prototypen digital gefertigter Dünnglas-Verbundfassadenplatten

Der Einsatz von Dünnglas verspricht vielfältige Aufgaben im Bauwesen. Zusätzlich zu den Umweltvorteilen einer effizienteren Ressourcennutzung können Architekten durch den Einsatz von Dünnglas neue Freiheitsgrade bei der Gestaltung erreichen. Basierend auf der Sandwich-Theorie kann flexibles Dünnglas mit einem 3D-gedruckten offenzelligen Polymerkern kombiniert werden, um ein sehr steifes und leichtes Glas zu bilden Verbundelemente. In diesem Artikel wird ein explorativer Versuch zur digitalen Herstellung dünner Glas-Verbund-Fassadenplatten mithilfe von Industrierobotern vorgestellt. Es erklärt das Konzept der Digitalisierung von Fabrik-zu-Fabrik-Arbeitsabläufen, einschließlich computergestütztem Design (CAD), Engineering (CAE) und Fertigung (CAM). Die Studie demonstriert einen parametrischen Designprozess, der eine nahtlose Integration digitaler Analysetools ermöglicht.
Darüber hinaus zeigt dieser Prozess die Potenziale und Herausforderungen der digitalen Herstellung von Dünnglas-Verbundplatten auf. Einige der Fertigungsschritte, die ein Industrieroboterarm durchführt, wie großformatige additive Fertigung, Oberflächenbearbeitung, Kleben und Montageprozesse, werden hier erläutert. Schließlich wurde zum ersten Mal ein tiefes Verständnis der mechanischen Eigenschaften von Verbundplatten durch experimentelle und numerische Studien und die Bewertung der mechanischen Eigenschaften von Verbundplatten unter Oberflächenbelastung erlangt. Das Gesamtkonzept des digitalen Design- und Fertigungsworkflows sowie die Ergebnisse experimenteller Studien bilden eine Grundlage für die weitere Integration von Formdefinitions- und Analysemethoden sowie für die Durchführung umfangreicher mechanistischer Studien in zukünftigen Studien.
Digitale Fertigungsmethoden ermöglichen es uns, die Produktion zu verbessern, indem wir traditionelle Methoden transformieren und neue Designmöglichkeiten bieten [1]. Herkömmliche Baumethoden neigen dazu, Materialien im Hinblick auf Kosten, Grundgeometrie und Sicherheit zu überbeanspruchen. Durch die Verlagerung des Baus in Fabriken, den Einsatz modularer Vorfertigung und Robotik zur Implementierung neuer Entwurfsmethoden können Materialien effizient genutzt werden, ohne dass die Sicherheit beeinträchtigt wird. Die digitale Fertigung ermöglicht es uns, unsere Designvorstellung zu erweitern, um vielfältigere, effizientere und anspruchsvollere geometrische Formen zu schaffen. Während die Konstruktions- und Berechnungsprozesse weitgehend digitalisiert sind, erfolgen Fertigung und Montage noch immer größtenteils in traditioneller Handarbeit. Um immer komplexere Freiformstrukturen bewältigen zu können, gewinnen digitale Fertigungsprozesse zunehmend an Bedeutung. Der Wunsch nach Freiheit und Gestaltungsfreiheit, insbesondere bei Fassaden, wächst stetig. Neben der optischen Wirkung ermöglichen Freiformfassaden auch die Schaffung effizienterer Strukturen, beispielsweise durch den Einsatz von Membraneffekten [2]. Darüber hinaus liegt das große Potenzial digitaler Fertigungsprozesse in ihrer Effizienz und der Möglichkeit zur Designoptimierung.
In diesem Artikel wird untersucht, wie mithilfe digitaler Technologie eine innovative Verbundfassadenplatte bestehend aus einem additiv gefertigten Polymerkern und verbundenen dünnen Glasaußenplatten entworfen und hergestellt werden kann. Neben den neuen architektonischen Möglichkeiten, die der Einsatz von Dünnglas mit sich bringt, waren auch ökologische und ökonomische Kriterien wichtige Beweggründe für den geringeren Materialeinsatz bei der Konstruktion der Gebäudehülle. Angesichts des Klimawandels, der Ressourcenknappheit und künftig steigender Energiepreise muss Glas intelligenter eingesetzt werden. Die Verwendung von Dünnglas mit einer Dicke von weniger als 2 mm aus der Elektronikindustrie macht die Fassade leicht und reduziert den Einsatz von Rohstoffen.
Aufgrund der hohen Flexibilität von Dünnglas eröffnet es neue Möglichkeiten für architektonische Anwendungen und stellt gleichzeitig neue technische Herausforderungen [3,4,5,6]. Während die derzeitige Umsetzung von Fassadenprojekten mit Dünnglas begrenzt ist, wird Dünnglas zunehmend im Bauingenieurwesen und in Architekturstudien eingesetzt. Aufgrund der hohen Fähigkeit von Dünnglas zur elastischen Verformung erfordert der Einsatz in Fassaden verstärkte konstruktive Lösungen [7]. Neben der Ausnutzung des Membraneffekts aufgrund der gekrümmten Geometrie [8] kann das Trägheitsmoment auch durch einen mehrschichtigen Aufbau bestehend aus einem Polymerkern und einer aufgeklebten dünnen Glasaußenscheibe erhöht werden. Dieser Ansatz hat sich aufgrund der Verwendung eines harten, transparenten Polycarbonatkerns, der weniger dicht als Glas ist, als vielversprechend erwiesen. Neben der positiven mechanischen Wirkung wurden weitere Sicherheitskriterien erfüllt [9].
Der Ansatz in der folgenden Studie basiert auf dem gleichen Konzept, verwendet jedoch einen additiv gefertigten offenporigen transluzenten Kern. Dies gewährleistet ein höheres Maß an geometrischen Freiheiten und Gestaltungsmöglichkeiten sowie die Integration der physikalischen Funktionen des Gebäudes [10]. Solche Verbundplatten haben sich in mechanischen Tests besonders bewährt [11] und versprechen eine Reduzierung des Glaseinsatzes um bis zu 80 %. Dadurch werden nicht nur die benötigten Ressourcen reduziert, sondern auch das Gewicht der Paneele deutlich reduziert und somit die Effizienz der Unterkonstruktion erhöht. Aber neue Formen des Bauens erfordern neue Formen der Produktion. Effiziente Strukturen erfordern effiziente Fertigungsprozesse. Digitales Design trägt zur digitalen Fertigung bei. Dieser Artikel setzt die bisherige Forschung des Autors fort, indem er eine Studie zum digitalen Herstellungsprozess von Dünnglas-Verbundplatten für Industrieroboter vorstellt. Der Fokus liegt auf der Digitalisierung des File-to-Factory-Workflows der ersten großformatigen Prototypen, um die Automatisierung des Herstellungsprozesses zu steigern.
Die Verbundplatte (Abbildung 1) besteht aus zwei dünnen Glasschichten, die um einen AM-Polymerkern gewickelt sind. Die beiden Teile werden mit Leim verbunden. Der Zweck dieser Konstruktion besteht darin, die Last möglichst effizient über den gesamten Abschnitt zu verteilen. Biegemomente erzeugen Normalspannungen in der Schale. Durch seitliche Kräfte entstehen Schubspannungen im Kern und in den Klebeverbindungen.
Die äußere Schicht der Sandwichstruktur besteht aus dünnem Glas. Grundsätzlich wird Kalk-Natron-Silikatglas verwendet. Bei einer Zieldicke < 2 mm stößt das thermische Vergütungsverfahren an die aktuelle technologische Grenze. Chemisch verstärktes Alumosilikatglas kann als besonders geeignet angesehen werden, wenn aufgrund der Konstruktion (z. B. kaltgefaltete Platten) oder der Verwendung eine höhere Festigkeit erforderlich ist [12]. Die Lichtdurchlässigkeits- und Umweltschutzfunktionen werden durch gute mechanische Eigenschaften wie gute Kratzfestigkeit und einen im Vergleich zu anderen in Verbundwerkstoffen verwendeten Materialien relativ hohen Elastizitätsmodul ergänzt. Aufgrund der begrenzten Größe, die für chemisch gehärtetes Dünnglas zur Verfügung steht, wurden für die Erstellung des ersten großformatigen Prototyps Platten aus vollständig gehärtetem 3 mm dickem Kalknatronglas verwendet.
Die Tragkonstruktion wird als Formteil der Verbundplatte betrachtet. Fast alle Attribute sind davon betroffen. Dank der additiven Fertigungsmethode ist es auch das Zentrum des digitalen Fertigungsprozesses. Thermoplaste werden durch Verschmelzen verarbeitet. Dadurch ist es möglich, eine Vielzahl unterschiedlicher Polymere für spezifische Anwendungen einzusetzen. Die Topologie der Hauptelemente kann je nach Funktion unterschiedlich betont gestaltet werden. Zu diesem Zweck kann Formdesign in die folgenden vier Designkategorien unterteilt werden: Strukturelles Design, funktionales Design, ästhetisches Design und Produktionsdesign. Jede Kategorie kann unterschiedliche Zwecke haben, was zu unterschiedlichen Topologien führen kann.
Im Rahmen der Vorstudie wurden einige der Hauptentwürfe auf ihre Designtauglichkeit geprüft [11]. Aus mechanischer Sicht ist die dreiperiodische minimale Kernoberfläche des Gyroskops besonders effektiv. Dadurch wird eine hohe mechanische Biegefestigkeit bei relativ geringem Materialverbrauch erreicht. Neben den in den Oberflächenbereichen nachgebildeten zellulären Grundstrukturen kann die Topologie auch durch andere Formfindungstechniken generiert werden. Die Erzeugung von Spannungslinien ist eine der möglichen Möglichkeiten, die Steifigkeit bei möglichst geringem Gewicht zu optimieren [13]. Als Ausgangspunkt für die Entwicklung der Produktionslinie diente jedoch die in Sandwichkonstruktionen weit verbreitete Wabenstruktur. Diese Grundform führt zu einem schnellen Fortschritt in der Produktion, insbesondere durch einfache Werkzeugwegprogrammierung. Sein Verhalten in Verbundplatten ist umfassend untersucht [14, 15, 16] und das Erscheinungsbild lässt sich durch Parametrisierung vielfältig verändern und auch für erste Optimierungskonzepte nutzen.
Abhängig vom verwendeten Extrusionsverfahren sind bei der Auswahl eines Polymers viele thermoplastische Polymere zu berücksichtigen. Erste Vorstudien zu kleinteiligen Materialien haben die Zahl der für den Einsatz in Fassaden als geeignet erachteten Polymere reduziert [11]. Polycarbonat (PC) ist aufgrund seiner Hitzebeständigkeit, UV-Beständigkeit und hohen Steifigkeit vielversprechend. Aufgrund des zusätzlichen technischen und finanziellen Aufwands für die Verarbeitung von Polycarbonat wurde zur Herstellung der ersten Prototypen ethylenglykolmodifiziertes Polyethylenterephthalat (PETG) verwendet. Es lässt sich besonders gut bei relativ niedrigen Temperaturen verarbeiten und birgt ein geringes Risiko von thermischen Spannungen und Bauteilverformungen. Der hier gezeigte Prototyp besteht aus recyceltem PETG namens PIPG. Das Material wurde mindestens 4 h bei 60 °C vorgetrocknet und zu Granulat mit einem Glasfaseranteil von 20 % verarbeitet [17].
Der Klebstoff sorgt für eine starke Verbindung zwischen der Polymerkernstruktur und dem dünnen Glasdeckel. Bei Biegebelastungen von Verbundplatten kommt es zu einer Schubbeanspruchung der Klebeverbindungen. Daher ist ein härterer Klebstoff zu bevorzugen und kann die Durchbiegung verringern. Durchsichtige Klebstoffe sorgen auch bei der Verklebung mit Klarglas für eine hohe optische Qualität. Ein weiterer wichtiger Faktor bei der Auswahl eines Klebstoffs ist die Herstellbarkeit und Integration in automatisierte Produktionsprozesse. Hier können UV-härtende Klebstoffe mit flexiblen Aushärtezeiten die Positionierung der Deckschichten erheblich vereinfachen. Basierend auf Vorversuchen wurde eine Reihe von Klebstoffen auf ihre Eignung für dünne Glasverbundplatten getestet [18]. Für den folgenden Prozess erwies sich das UV-härtbare Acrylat Loctite® AA 3345™ [19] als besonders geeignet.
Um die Möglichkeiten der additiven Fertigung und die Flexibilität von Dünnglas zu nutzen, wurde der gesamte Prozess so konzipiert, dass er digital und parametrisch funktioniert. Grasshopper wird als visuelle Programmierschnittstelle verwendet und vermeidet Schnittstellen zwischen verschiedenen Programmen. Alle Disziplinen (Ingenieurwesen, Maschinenbau und Fertigung) unterstützen und ergänzen sich gegenseitig in einer Datei mit direktem Feedback des Betreibers. In dieser Phase der Studie befindet sich der Arbeitsablauf noch in der Entwicklung und folgt dem in Abbildung 2 dargestellten Muster. Die verschiedenen Ziele können innerhalb der Disziplinen in Kategorien eingeteilt werden.
Obwohl die Produktion von Sandwichpaneelen in diesem Artikel durch benutzerorientiertes Design und Fertigungsvorbereitung automatisiert wurde, wurde die Integration und Validierung einzelner Engineering-Tools noch nicht vollständig realisiert. Basierend auf der parametrischen Gestaltung der Fassadengeometrie ist es möglich, die Außenhülle des Gebäudes auf der Makroebene (Fassade) und Mesoebene (Fassadenplatten) zu gestalten. Im zweiten Schritt zielt die technische Feedbackschleife darauf ab, die Sicherheit und Eignung sowie die Machbarkeit der Vorhangfassadenfertigung zu bewerten. Schließlich sind die resultierenden Panels bereit für die digitale Produktion. Das Programm verarbeitet die entwickelte Kernstruktur in maschinenlesbarem G-Code und bereitet sie für die additive Fertigung, subtraktive Nachbearbeitung und Glasverklebung vor.
Der Designprozess wird auf zwei verschiedenen Ebenen betrachtet. Neben der Tatsache, dass die Makroform der Fassaden die Geometrie jeder Verbundplatte beeinflusst, kann auch die Topologie des Kerns selbst auf der Mesoebene gestaltet werden. Bei der Verwendung eines parametrischen Fassadenmodells kann die Form und das Erscheinungsbild anhand der Beispielfassadenabschnitte mithilfe der in Abbildung 3 dargestellten Schieberegler beeinflusst werden. Somit besteht die Gesamtoberfläche aus einer benutzerdefinierten skalierbaren Oberfläche, die mithilfe von Punktattraktoren verformt und durch modifiziert werden kann Angabe eines minimalen und maximalen Verformungsgrades. Dies ermöglicht ein hohes Maß an Flexibilität bei der Gestaltung von Gebäudehüllen. Dieser Freiheitsgrad wird jedoch durch technische und fertigungstechnische Randbedingungen begrenzt, die dann von den Algorithmen im Engineering-Teil durchgespielt werden.
Neben der Höhe und Breite der gesamten Fassade wird auch die Aufteilung der Fassadenplatten festgelegt. Einzelne Fassadenplatten können auf der Mesoebene genauer definiert werden. Dies wirkt sich auf die Topologie der Kernstruktur selbst sowie auf die Dicke des Glases aus. Diese beiden Variablen sowie die Größe des Panels haben einen wichtigen Zusammenhang mit der Modellierung im Maschinenbau. Die Gestaltung und Entwicklung der gesamten Makro- und Mesoebene kann im Sinne einer Optimierung in den vier Kategorien Struktur, Funktion, Ästhetik und Produktdesign erfolgen. Benutzer können das Gesamtbild und die Atmosphäre der Gebäudehülle entwickeln, indem sie diese Bereiche priorisieren.
Das Projekt wird vom Engineering-Teil durch eine Feedback-Schleife unterstützt. Zu diesem Zweck werden in der in Abb. 2 dargestellten Optimierungskategorie Ziele und Randbedingungen definiert. Sie stellen Korridore bereit, die technisch machbar, physikalisch einwandfrei und bautechnisch sicher sind, was erhebliche Auswirkungen auf die Gestaltung hat. Dies ist der Ausgangspunkt für verschiedene Tools, die direkt in Grasshopper integriert werden können. In weiteren Untersuchungen können mechanische Eigenschaften mittels Finite-Elemente-Analyse (FEM) oder sogar analytischer Berechnungen bewertet werden.
Darüber hinaus können Sonneneinstrahlungsstudien, Sichtlinienanalysen und Sonnenscheindauermodelle die Auswirkungen von Verbundplatten auf die Bauphysik bewerten. Es ist wichtig, die Geschwindigkeit, Effizienz und Flexibilität des Designprozesses nicht zu sehr einzuschränken. Daher dienen die hier erzielten Ergebnisse als zusätzliche Orientierungshilfe und Unterstützung für den Designprozess und sind kein Ersatz für eine detaillierte Analyse und Begründung am Ende des Designprozesses. Dieser strategische Plan legt den Grundstein für weitere kategorische Forschung zur Erzielung nachgewiesener Ergebnisse. Über das mechanische Verhalten von Verbundplatten unter verschiedenen Belastungs- und Auflagebedingungen ist beispielsweise noch wenig bekannt.
Sobald Design und Engineering abgeschlossen sind, ist das Modell bereit für die digitale Produktion. Der Herstellungsprozess gliedert sich in vier Teilschritte (Abb. 4). Zunächst wurde die Hauptstruktur mithilfe einer groß angelegten Roboter-3D-Druckanlage additiv gefertigt. Anschließend wird die Oberfläche mit demselben Robotersystem gefräst, um die für eine gute Verklebung erforderliche Oberflächenqualität zu verbessern. Nach dem Fräsen wird der Klebstoff mithilfe eines speziell entwickelten Dosiersystems entlang der Kernstruktur aufgetragen, das auf demselben Robotersystem montiert ist, das auch für den Druck- und Fräsvorgang verwendet wird. Abschließend erfolgt die Montage und Verlegung des Glases vor der UV-Härtung der Klebefuge.
Für die additive Fertigung muss die definierte Topologie der zugrunde liegenden Struktur in die CNC-Maschinensprache (GCode) übersetzt werden. Um gleichmäßige und qualitativ hochwertige Ergebnisse zu erzielen, besteht das Ziel darin, jede Schicht zu drucken, ohne dass die Extruderdüse abfällt. Dies verhindert einen unerwünschten Überdruck am Anfang und Ende der Bewegung. Daher wurde ein Skript zur kontinuierlichen Trajektoriengenerierung für das verwendete Zellmuster geschrieben. Dadurch wird eine parametrische kontinuierliche Polylinie mit denselben Start- und Endpunkten erstellt, die sich je nach Design an die ausgewählte Panelgröße, Anzahl und Größe der Waben anpasst. Darüber hinaus können vor dem Verlegen von Linien Parameter wie Linienbreite und Linienhöhe festgelegt werden, um die gewünschte Höhe der Hauptstruktur zu erreichen. Der nächste Schritt im Skript besteht darin, die G-Code-Befehle zu schreiben.
Dies erfolgt durch die Aufzeichnung der Koordinaten jedes Punkts auf der Linie mit zusätzlichen Maschineninformationen wie anderen relevanten Achsen zur Positionierung und Steuerung des Extrusionsvolumens. Der resultierende G-Code kann dann auf Produktionsmaschinen übertragen werden. In diesem Beispiel wird ein Comau NJ165-Industrieroboterarm auf einer linearen Schiene verwendet, um einen CEAD E25-Extruder gemäß dem G-Code zu steuern (Abbildung 5). Der erste Prototyp verwendete postindustrielles PETG mit einem Glasfaseranteil von 20 %. Hinsichtlich der mechanischen Prüfung liegt die Zielgröße nahe an der Größe der Bauindustrie, sodass die Abmessungen des Hauptelements 1983 × 876 mm mit 6 × 4 Wabenzellen betragen. 6 mm und 2 mm hoch.
Vorversuche haben gezeigt, dass es je nach Oberflächenbeschaffenheit einen Unterschied in der Haftfestigkeit zwischen Klebstoff und 3D-Druckharz gibt. Dazu werden Prüfkörper aus der additiven Fertigung auf Glas geklebt oder laminiert und auf Zug oder Scherung beansprucht. Bei der mechanischen Vorbearbeitung der Polymeroberfläche durch Fräsen erhöhte sich die Festigkeit deutlich (Abb. 6). Darüber hinaus verbessert es die Ebenheit des Kerns und verhindert Fehler durch Überextrusion. Das hier verwendete UV-härtbare Acrylat LOCTITE® AA 3345™ [19] reagiert empfindlich auf die Verarbeitungsbedingungen.
Dies führt häufig zu einer höheren Standardabweichung der Bondtestproben. Nach der additiven Fertigung wurde die Kernstruktur auf einer Profilfräsmaschine gefräst. Der für diesen Vorgang erforderliche G-Code wird automatisch aus bereits für den 3D-Druckprozess erstellten Werkzeugwegen generiert. Die Kernstruktur muss etwas höher als die vorgesehene Kernhöhe gedruckt werden. In diesem Beispiel wurde die 18 mm dicke Kernstruktur auf 14 mm reduziert.
Dieser Teil des Herstellungsprozesses stellt eine große Herausforderung für die vollständige Automatisierung dar. Der Einsatz von Klebstoffen stellt hohe Anforderungen an die Genauigkeit und Präzision von Maschinen. Mit dem pneumatischen Dosiersystem wird der Klebstoff entlang der Kernstruktur aufgetragen. Es wird vom Roboter entsprechend der definierten Werkzeugbahn entlang der Fräsfläche geführt. Es hat sich herausgestellt, dass der Austausch der herkömmlichen Dosierspitze durch einen Pinsel besonders vorteilhaft ist. Dies ermöglicht eine gleichmäßige Volumendosierung von Klebstoffen mit niedriger Viskosität. Dieser Betrag wird durch den Druck im System und die Geschwindigkeit des Roboters bestimmt. Für eine höhere Präzision und eine hohe Verklebungsqualität werden niedrige Verfahrgeschwindigkeiten von 200 bis 800 mm/min bevorzugt.
Mit einem Dosierpinsel mit einem Innendurchmesser von 0,84 mm und einer Pinselbreite von 5 wurde bei einem Andruck von 0,3 bis 0,6 mbar Acrylat mit einer mittleren Viskosität von 1500 mPa*s auf die 6 mm breite Wandung des Polymerkerns aufgetragen. mm. Anschließend wird der Kleber auf der Oberfläche des Untergrundes verteilt und bildet aufgrund der Oberflächenspannung eine 1 mm dicke Schicht. Die exakte Bestimmung der Kleberdicke lässt sich derzeit noch nicht automatisieren. Die Dauer des Prozesses ist ein wichtiges Kriterium für die Auswahl eines Klebstoffs. Die hier hergestellte Kernstruktur hat eine Bahnlänge von 26 m und damit eine Einwirkzeit von 30 bis 60 Minuten.
Nach dem Auftragen des Klebers installieren Sie das doppelt verglaste Fenster. Aufgrund der geringen Materialstärke wird Dünnglas durch sein Eigengewicht bereits stark verformt und muss daher möglichst gleichmäßig positioniert werden. Hierzu werden pneumatische Glassauger mit zeitverteilten Saugnäpfen eingesetzt. Die Platzierung auf dem Bauteil erfolgt per Kran, künftig auch direkt per Roboter. Die Glasplatte wurde parallel zur Oberfläche des Kerns auf die Klebeschicht gelegt. Aufgrund des geringeren Gewichts erhöht eine zusätzliche Glasplatte (4 bis 6 mm dick) den Druck darauf.
Das Ergebnis sollte eine vollständige Benetzung der Glasoberfläche entlang der Kernstruktur sein, was anhand einer ersten visuellen Prüfung anhand sichtbarer Farbunterschiede beurteilt werden kann. Auch der Auftragsprozess kann einen erheblichen Einfluss auf die Qualität der endgültigen Klebeverbindung haben. Nach der Verklebung dürfen die Glasscheiben nicht mehr bewegt werden, da dies zu sichtbaren Kleberrückständen auf dem Glas und zu Defekten in der eigentlichen Klebeschicht führt. Abschließend wird der Klebstoff mit UV-Strahlung einer Wellenlänge von 365 nm ausgehärtet. Dazu wird eine UV-Lampe mit einer Leistungsdichte von 6 mW/cm2 60 s lang schrittweise über die gesamte Klebefläche geführt.
Das hier diskutierte Konzept leichter und individualisierbarer Dünnglas-Verbundplatten mit additiv gefertigtem Polymerkern ist für den Einsatz in zukünftigen Fassaden vorgesehen. Daher müssen Verbundplatten den geltenden Normen entsprechen und die Anforderungen an Gebrauchsgrenzzustände (SLS), Höchstfestigkeitsgrenzzustände (ULS) und Sicherheitsanforderungen erfüllen. Daher müssen Verbundplatten sicher, stark und steif genug sein, um Belastungen (z. B. Oberflächenlasten) standzuhalten, ohne zu brechen oder sich übermäßig zu verformen. Um die mechanische Reaktion zuvor hergestellter Dünnglas-Verbundplatten (wie im Abschnitt „Mechanische Tests“ beschrieben) zu untersuchen, wurden sie Windlasttests unterzogen, wie im nächsten Unterabschnitt beschrieben.
Der Zweck der physikalischen Prüfung besteht darin, die mechanischen Eigenschaften von Verbundplatten von Außenwänden unter Windlast zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurden Verbundplatten bestehend aus einer 3 mm dicken Außenscheibe aus gehärtetem Glas und einem 14 mm dicken additiv gefertigten Kern (aus PIPG-GF20) wie oben beschrieben mit dem Klebstoff Henkel Loctite AA 3345 hergestellt (Abb. 7 links). )). . Anschließend werden die Verbundplatten mit Metallschrauben am Holztragrahmen befestigt, die durch den Holzrahmen und in die Seiten der Hauptstruktur geschraubt werden. 30 Schrauben wurden um den Umfang der Platte herum angebracht (siehe die schwarze Linie links in Abb. 7), um die linearen Auflagebedingungen rund um den Umfang so genau wie möglich zu reproduzieren.
Anschließend wurde der Prüfrahmen durch Winddruck bzw. Windsog hinter der Verbundplatte mit der äußeren Prüfwand abgedichtet (Abbildung 7, oben rechts). Zur Datenerfassung kommt ein digitales Korrelationssystem (DIC) zum Einsatz. Dazu wird das äußere Glas der Verbundplatte mit einer dünnen elastischen Folie abgedeckt, auf der ein perlmuttartiges Rauschmuster aufgedruckt ist (Abb. 7, unten rechts). DIC erfasst mit zwei Kameras die relative Lage aller Messpunkte auf der gesamten Glasoberfläche. Es wurden zwei Bilder pro Sekunde aufgenommen und zur Auswertung herangezogen. Der Druck in der von Verbundplatten umgebenen Kammer wird mittels eines Ventilators in 1000-Pa-Schritten bis zu einem Maximalwert von 4000 Pa erhöht, sodass jede Belastungsstufe für 10 Sekunden aufrechterhalten wird.
Der physikalische Aufbau des Experiments wird ebenfalls durch ein numerisches Modell mit den gleichen geometrischen Abmessungen abgebildet. Hierzu wird das numerische Programm Ansys Mechanical verwendet. Die Kernstruktur bestand aus einem geometrischen Netz aus sechseckigen SOLID 185-Elementen mit 20 mm Seitenlänge für Glas und SOLID 187 Tetraederelementen mit 3 mm Seitenlänge. Um die Modellierung zu vereinfachen, wird in diesem Stadium der Studie davon ausgegangen, dass das verwendete Acrylat idealerweise starr und dünn ist und als starre Verbindung zwischen dem Glas und dem Kernmaterial definiert wird.
Die Verbundplatten werden geradlinig außerhalb des Kerns befestigt und die Glasplatte wird einer Flächendruckbelastung von 4000 Pa ausgesetzt. Obwohl bei der Modellierung geometrische Nichtlinearitäten berücksichtigt wurden, wurden in dieser Phase der Analyse nur lineare Materialmodelle verwendet Studie. Obwohl dies eine gültige Annahme für die lineare elastische Reaktion von Glas ist (E = 70.000 MPa), wurde laut Datenblatt des Herstellers des (viskoelastischen) Polymerkernmaterials [17] die lineare Steifigkeit E = 8245 MPa verwendet Die aktuelle Analyse sollte sorgfältig geprüft werden und wird in zukünftigen Forschungsarbeiten untersucht.
Die hier dargestellten Ergebnisse werden hauptsächlich für Verformungen bei maximalen Windlasten bis 4000 Pa (=ˆ4kN/m2) ausgewertet. Hierzu wurden die mit der DIC-Methode aufgenommenen Bilder mit den Ergebnissen der numerischen Simulation (FEM) verglichen (Abb. 8, unten rechts). Während in der FEM eine ideale Gesamtdehnung von 0 mm bei „idealen“ linearen Auflagern im Randbereich (Plattenumfang) berechnet wird, muss bei der Bewertung des DIC die physikalische Verschiebung des Randbereichs berücksichtigt werden. Dies ist auf Einbautoleranzen und Verformungen des Prüfrahmens und seiner Dichtungen zurückzuführen. Zum Vergleich wurde die mittlere Verschiebung im Randbereich (gestrichelte weiße Linie in Abb. 8) von der maximalen Verschiebung in der Plattenmitte abgezogen. Die durch DIC und FEA ermittelten Verschiebungen werden in Tabelle 1 verglichen und in der oberen linken Ecke von Abb. 8 grafisch dargestellt.
Die vier aufgebrachten Belastungsniveaus des Versuchsmodells wurden als Kontrollpunkte für die Bewertung verwendet und in der FEM ausgewertet. Die maximale zentrale Verschiebung der Verbundplatte im unbelasteten Zustand wurde durch DIC-Messungen bei einem Belastungsniveau von 4000 Pa bei 2,18 mm ermittelt. Während FEA-Verschiebungen bei niedrigeren Lasten (bis zu 2000 Pa) experimentelle Werte immer noch genau reproduzieren können, kann der nichtlineare Anstieg der Dehnung bei höheren Lasten nicht genau berechnet werden.
Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass Verbundplatten extremen Windlasten standhalten. Besonders hervorzuheben ist die hohe Steifigkeit der Leichtbauplatten. Nach analytischen Berechnungen auf Basis der linearen Theorie der Kirchhoff-Platten [20] entspricht eine Verformung von 2,18 mm bei 4000 Pa der Verformung einer einzelnen 12 mm dicken Glasplatte unter gleichen Randbedingungen. Dadurch kann die in der Herstellung energieintensive Glasstärke dieser Verbundplatte auf 2 x 3 mm Glas reduziert werden, was zu einer Materialeinsparung von 50 % führt. Die Reduzierung des Gesamtgewichts des Panels bietet zusätzliche Vorteile bei der Montage. Während eine 30 kg schwere Verbundplatte problemlos von zwei Personen gehandhabt werden kann, benötigt eine herkömmliche 50 kg schwere Glasplatte technische Unterstützung, um sicher bewegt zu werden. Um das mechanische Verhalten genau darzustellen, werden in zukünftigen Studien detailliertere numerische Modelle erforderlich sein. Die Finite-Elemente-Analyse kann durch umfangreichere nichtlineare Materialmodelle für Polymere und die Modellierung von Klebeverbindungen weiter verbessert werden.
Die Entwicklung und Verbesserung digitaler Prozesse spielen eine Schlüsselrolle bei der Verbesserung der wirtschaftlichen und ökologischen Leistung in der Baubranche. Darüber hinaus verspricht der Einsatz von Dünnglas in Fassaden Energie- und Ressourceneinsparungen und eröffnet neue Möglichkeiten für die Architektur. Aufgrund der geringen Glasdicke sind jedoch neue Designlösungen erforderlich, um das Glas ausreichend zu verstärken. Daher untersucht die in diesem Artikel vorgestellte Studie das Konzept von Verbundplatten aus dünnem Glas und verbundenen, verstärkten 3D-gedruckten Polymerkernstrukturen. Der gesamte Produktionsprozess vom Design bis zur Produktion wurde digitalisiert und automatisiert. Mit Hilfe von Grasshopper wurde ein File-to-Factory-Workflow entwickelt, um den Einsatz dünner Glasverbundplatten in zukünftigen Fassaden zu ermöglichen.
Die Produktion des ersten Prototyps demonstrierte die Machbarkeit und Herausforderungen der Roboterfertigung. Während additive und subtraktive Fertigung bereits gut integriert sind, stellen insbesondere die vollautomatische Klebstoffaufbringung und -montage zusätzliche Herausforderungen dar, die in der zukünftigen Forschung angegangen werden müssen. Durch vorläufige mechanische Tests und die damit verbundene Finite-Elemente-Forschungsmodellierung wurde gezeigt, dass leichte und dünne Glasfaserplatten auch unter extremen Windlastbedingungen eine ausreichende Biegesteifigkeit für ihre beabsichtigten Fassadenanwendungen bieten. Die laufenden Forschungsarbeiten der Autoren werden das Potenzial digital gefertigter Dünnglas-Verbundplatten für Fassadenanwendungen weiter untersuchen und ihre Wirksamkeit demonstrieren.
Die Autoren danken allen Unterstützern dieser Forschungsarbeit. Dank des aus Mitteln der Europäischen Union finanzierten EFRE SAB-Förderprogramms in Form des Zuschusses Nr. wurden finanzielle Mittel für die Anschaffung eines Manipulators mit Extruder und Fräsgerät bereitgestellt. 100537005. Darüber hinaus wurde das AiF-ZIM für die Förderung des Forschungsprojekts Glasfur3D (Fördernummer ZF4123725WZ9) in Zusammenarbeit mit den Glaswerkstätten Glas Ahne ausgezeichnet, die diese Forschungsarbeit maßgeblich unterstützt haben. Abschließend würdigen das Friedrich-Siemens-Labor und seine Mitarbeiter, insbesondere Felix Hegewald und der studentische Mitarbeiter Jonathan Holzerr, die technische Unterstützung und Umsetzung der Herstellung und der physikalischen Tests, die die Grundlage für diese Arbeit bildeten.