Сандық түрде дайындалған жұқа шыны композиттік қасбеттік панельдердің прототиптері

Жұқа әйнекті пайдалану құрылыс индустриясында әртүрлі міндеттерді орындауға уәде береді. Ресурстарды тиімдірек пайдаланудың экологиялық артықшылықтарына қоса, сәулетшілер дизайн еркіндігінің жаңа дәрежесіне жету үшін жұқа әйнекті пайдалана алады. Сэндвич теориясына сүйене отырып, икемді жұқа әйнекті 3D басып шығарылған ашық ұяшықты полимер өзегімен біріктіріп, өте қатты және жеңіл салмақты жасауға болады. композициялық элементтер. Бұл мақалада өнеркәсіптік роботтарды пайдалана отырып, жұқа шыны композициялық қасбеттік панельдерді цифрлық өндіруге барлау әрекеті ұсынылған. Ол компьютерлік дизайн (CAD), инжиниринг (CAE) және өндірісті (CAM) қоса алғанда, зауыттан зауытқа дейінгі жұмыс процестерін цифрландыру тұжырымдамасын түсіндіреді. Зерттеу цифрлық талдау құралдарын үздіксіз біріктіруге мүмкіндік беретін параметрлік жобалау процесін көрсетеді.
Сонымен қатар, бұл процесс жұқа шыны композиттік панельдерді сандық түрде өндірудің әлеуеті мен қиындықтарын көрсетеді. Өнеркәсіптік робот қолымен орындалатын кейбір өндіріс қадамдары, мысалы, үлкен форматты қоспаларды өндіру, бетті өңдеу, желімдеу және құрастыру процестері мұнда түсіндіріледі. Соңында, алғаш рет композиттік панельдердің механикалық қасиеттерін терең түсіну тәжірибелік және сандық зерттеулер және беттік жүктеме кезінде композиттік панельдердің механикалық қасиеттерін бағалау арқылы алынды. Цифрлық дизайн мен өндірістің жұмыс үрдісінің жалпы тұжырымдамасы, сондай-ақ эксперименттік зерттеулердің нәтижелері пішінді анықтау және талдау әдістерін одан әрі біріктіруге, сондай-ақ болашақ зерттеулерде кең ауқымды механикалық зерттеулер жүргізуге негіз болады.
Цифрлық өндіріс әдістері дәстүрлі әдістерді түрлендіру және жаңа дизайн мүмкіндіктерін ұсыну арқылы өндірісті жақсартуға мүмкіндік береді [1]. Дәстүрлі құрылыс әдістері шығындар, негізгі геометрия және қауіпсіздік тұрғысынан материалдарды шамадан тыс пайдалануға бейім. Құрылысты зауыттарға көшіру, жаңа дизайн әдістерін енгізу үшін модульдік құрастыру және робототехниканы қолдану арқылы материалдарды қауіпсіздікке нұқсан келтірместен тиімді пайдалануға болады. Сандық өндіріс әртүрлі, тиімді және өршіл геометриялық пішіндерді жасау үшін дизайн қиялымызды кеңейтуге мүмкіндік береді. Жобалау және есептеу процестері негізінен цифрландырылғанымен, өндіріс пен құрастыру әлі де дәстүрлі тәсілдермен негізінен қолмен орындалады. Барған сайын күрделі еркін пішінді құрылымдармен күресу үшін цифрлық өндіріс процестері барған сайын маңызды бола түсуде. Еркіндік пен дизайн икемділігіне деген ұмтылыс, әсіресе қасбеттерге қатысты, тұрақты түрде өсуде. Еркін пішінді қасбеттер көрнекі әсерден басқа, сонымен қатар, мысалы, мембраналық әсерлерді қолдану арқылы тиімдірек құрылымдарды жасауға мүмкіндік береді [2]. Сонымен қатар, цифрлық өндіріс процестерінің үлкен әлеуеті олардың тиімділігі мен дизайнды оңтайландыру мүмкіндігінде жатыр.
Бұл мақалада қосымша дайындалған полимерлі өзегі мен жабыстырылған жұқа шыны сыртқы панельдерден тұратын инновациялық композициялық қасбеттік панельді жобалау және өндіру үшін цифрлық технологияны қалай қолдануға болатынын зерттейді. Жұқа әйнекті қолданумен байланысты жаңа сәулет мүмкіндіктерінен басқа, экологиялық және экономикалық критерийлер де ғимараттың конвертін салу үшін аз материалды пайдаланудың маңызды мотивтері болды. Климаттың өзгеруіне, ресурстардың тапшылығына және болашақта энергия бағасының өсуіне байланысты әйнекті ақылмен пайдалану керек. Электроника өнеркәсібінен қалыңдығы 2 мм-ден аз жұқа шыны қолдану қасбетті жеңіл етеді және шикізатты пайдалануды азайтады.
Жұқа әйнектің жоғары икемділігіне байланысты ол архитектуралық қолдану үшін жаңа мүмкіндіктер ашады және сонымен бірге жаңа инженерлік қиындықтарды тудырады [3,4,5,6]. Жұқа әйнек қолданатын қасбеттік жобалардың ағымдағы іске асырылуы шектеулі болғанымен, жұқа шыны құрылыс және сәулет зерттеулерінде көбірек қолданылуда. Жұқа шынының серпімді деформацияға қабілеттілігі жоғары болғандықтан, оны қасбеттерде қолдану күшейтілген құрылымдық шешімдерді қажет етеді [7]. Қисық геометрияның [8] арқасында мембраналық әсерді пайдаланудан басқа, инерция моментін полимер өзегі мен желімделген жұқа шыны сыртқы парақтан тұратын көп қабатты құрылым арқылы да арттыруға болады. Бұл тәсіл шыныға қарағанда тығыздығы аз қатты мөлдір поликарбонат өзегін пайдаланудың арқасында уәде берді. Оң механикалық әсерге қосымша қауіпсіздіктің қосымша критерийлері орындалды [9].
Келесі зерттеудегі тәсіл бірдей концепцияға негізделген, бірақ қосымша жасалған ашық кеуекті мөлдір өзегін пайдаланады. Бұл геометриялық еркіндік пен дизайн мүмкіндіктерінің жоғары дәрежесіне, сондай-ақ ғимараттың физикалық функцияларын біріктіруге кепілдік береді [10]. Мұндай композиттік панельдер әсіресе механикалық сынақтарда тиімділігін көрсетті [11] және пайдаланылатын шыны көлемін 80%-ға дейін азайтуға уәде береді. Бұл қажетті ресурстарды азайтып қана қоймайды, сонымен қатар панельдердің салмағын айтарлықтай азайтады, осылайша қосалқы құрылымның тиімділігін арттырады. Бірақ құрылыстың жаңа формалары өндірістің жаңа түрлерін талап етеді. Тиімді құрылымдар тиімді өндірістік процестерді қажет етеді. Цифрлық дизайн цифрлық өндіріске ықпал етеді. Бұл мақалада өнеркәсіптік роботтарға арналған жұқа шыны композиттік панельдердің цифрлық өндіріс процесін зерттеуді ұсыну арқылы автордың алдыңғы зерттеулері жалғасады. Өндіріс процесін автоматтандыруды арттыру үшін бірінші үлкен форматты прототиптердің файлдан зауытқа дейінгі жұмыс процесін цифрландыруға назар аударылады.
Композиттік панель (1-сурет) AM полимерлі өзегіне оралған екі жұқа шыны қабаттан тұрады. Екі бөлік желіммен біріктірілген. Бұл дизайнның мақсаты - жүктемені бүкіл секцияға мүмкіндігінше тиімді бөлу. Иілу сәттері қабықта қалыпты кернеулерді тудырады. Бүйірлік күштер өзек және жабысқақ қосылыстарда ығысу кернеулерін тудырады.
Сэндвич құрылымының сыртқы қабаты жұқа шыныдан жасалған. Негізінде сода-әкті силикат шыны қолданылады. Мақсатты қалыңдығы < 2 мм болса, термиялық шынықтыру процесі ағымдағы технологиялық шегіне жетеді. Химиялық тұрғыдан күшейтілген алюмосиликатты шыны дизайнға (мысалы, салқын бүктелген панельдер) немесе қолдануға байланысты жоғары беріктік қажет болса, әсіресе қолайлы деп санауға болады [12]. Жарық беру және қоршаған ортаны қорғау функциялары композиттерде қолданылатын басқа материалдармен салыстырғанда жақсы сызаттарға төзімділік және салыстырмалы түрде жоғары Янг модулі сияқты жақсы механикалық қасиеттермен толықтырылады. Химиялық тұрғыдан қатайтылған жұқа шыны үшін қол жетімді өлшемдердің шектеулі болуына байланысты, бірінші ауқымды прототипті жасау үшін толығымен шыңдалған 3 мм қалың сода-әк шыны панельдері пайдаланылды.
Тірек құрылымы композиттік панельдің пішінді бөлігі ретінде қарастырылады. Оған барлық дерлік атрибуттар әсер етеді. Қосымша өндіріс әдісінің арқасында ол сонымен қатар цифрлық өндіріс процесінің орталығы болып табылады. Термопластика балқыту арқылы өңделеді. Бұл белгілі бір қолдану үшін әртүрлі полимерлердің үлкен санын пайдалануға мүмкіндік береді. Негізгі элементтердің топологиясы олардың атқаратын қызметіне қарай әртүрлі екпінмен жобалануы мүмкін. Осы мақсатта пішін дизайнын келесі төрт дизайн категориясына бөлуге болады: құрылымдық дизайн, функционалды дизайн, эстетикалық дизайн және өндірістік дизайн. Әрбір санаттың әртүрлі мақсаттары болуы мүмкін, бұл әртүрлі топологияларға әкелуі мүмкін.
Алдын ала зерделеу барысында кейбір негізгі конструкциялардың конструкциясының жарамдылығы тексерілді [11]. Механикалық тұрғыдан алғанда, гироскоптың үш периодты минимум өзек беті әсіресе тиімді. Бұл салыстырмалы түрде төмен материалды тұтыну кезінде иілуге ​​жоғары механикалық төзімділікті қамтамасыз етеді. Беткі аймақтарда шығарылатын жасушалық негізгі құрылымдардан басқа, топология пішінді табудың басқа әдістерімен де жасалуы мүмкін. Кернеу сызығының генерациясы - ең аз салмақта қаттылықты оңтайландырудың мүмкін әдістерінің бірі [13]. Дегенмен, сэндвич конструкцияларында кеңінен қолданылатын бал құрылымы өндіріс желісін дамытудың бастапқы нүктесі ретінде пайдаланылды. Бұл негізгі пішін өндірісте жылдам прогреске әкеледі, әсіресе құралдар жолын оңай бағдарламалау арқылы. Оның композиттік панельдердегі әрекеті жан-жақты зерттелген [14, 15, 16] және сыртқы түрін параметрлеу арқылы көптеген жолдармен өзгертуге болады және оны бастапқы оңтайландыру тұжырымдамалары үшін де қолдануға болады.
Қолданылатын экструзия процесіне байланысты полимерді таңдағанда ескеру қажет көптеген термопластикалық полимерлер бар. Шағын масштабты материалдарды бастапқы алдын ала зерттеулер қасбеттерде қолдануға жарамды деп саналатын полимерлердің санын азайтты [11]. Поликарбонат (ПК) ыстыққа төзімділігімен, ультракүлгін сәулелеріне төзімділігімен және жоғары қаттылығымен перспективалы болып табылады. Поликарбонатты өңдеуге қажет қосымша техникалық және қаржылық инвестициялардың арқасында алғашқы прототиптерді шығару үшін этиленгликольмен модификацияланған полиэтилентерефталат (PETG) пайдаланылды. Термиялық кернеу мен құрамдас деформацияның төмен қаупі бар салыстырмалы түрде төмен температурада өңдеу әсіресе оңай. Мұнда көрсетілген прототип PIPG деп аталатын қайта өңделген PETG-ден жасалған. Материалды алдын ала 60°C температурада кем дегенде 4 сағат кептіріп, шыны талшығы 20% құрайтын түйіршіктерге өңделген [17].
Желім полимер өзегі құрылымы мен жұқа шыны қақпақ арасындағы берік байланысты қамтамасыз етеді. Композиттік панельдер иілу жүктемелеріне ұшыраған кезде, жабысқақ қосылыстар ығысу кернеуіне ұшырайды. Сондықтан қаттырақ желімге артықшылық беріледі және ауытқуды азайтуы мүмкін. Мөлдір желімдер сонымен қатар мөлдір шыныға жабыстырылған кезде жоғары көрнекі сапаны қамтамасыз етуге көмектеседі. Желімді таңдаған кездегі тағы бір маңызды фактор - бұл өндіріс және автоматтандырылған өндіріс процестеріне біріктіру. Мұнда икемді қатаю уақыттары бар ультракүлгін қатайтатын желімдер жабын қабаттарының орналасуын айтарлықтай жеңілдетеді. Алдын ала жүргізілген сынақтардың негізінде желімдердің сериясы жұқа шыны композиттік панельдерге жарамдылығы тексерілді [18]. Loctite® AA 3345™ ультракүлгін сәулемен өңделетін акрилат [19] келесі процесс үшін әсіресе қолайлы болып шықты.
Қосымша өндіріс мүмкіндіктерін және жұқа әйнектің икемділігін пайдалану үшін бүкіл процесс цифрлық және параметрлік жұмыс істеуге арналған. Grasshopper визуалды бағдарламалау интерфейсі ретінде пайдаланылады, әртүрлі бағдарламалар арасындағы интерфейстерді болдырмайды. Барлық пәндер (инженерлік, инженерия және өндіріс) оператордың тікелей кері байланысымен бір файлда бірін-бірі қолдайды және толықтырады. Зерттеудің осы кезеңінде жұмыс процесі әлі де әзірлену үстінде және 2-суретте көрсетілген үлгі бойынша жүреді. Әртүрлі мақсаттарды пәндер ішінде санаттарға топтастыруға болады.
Осы қағаздағы сэндвич-панельдердің өндірісі пайдаланушыға бағытталған дизайнмен және дайындаумен автоматтандырылғанымен, жеке инженерлік құралдарды біріктіру және валидациялау толығымен жүзеге асырылған жоқ. Фасад геометриясының параметрлік дизайны негізінде ғимараттың сыртқы қабығын макродеңгейде (қасбет) және мезо (қасбеттік панельдер) жобалауға болады. Екінші қадамда инженерлік кері байланыс циклі перде қабырғаларын дайындаудың қауіпсіздігі мен жарамдылығын, сондай-ақ өміршеңдігін бағалауға бағытталған. Ақырында, алынған панельдер цифрлық өндіріске дайын. Бағдарлама әзірленген негізгі құрылымды машинада оқылатын G-кодта өңдейді және оны аддитивті өндіруге, субтрактивті кейінгі өңдеуге және шыны байланыстыруға дайындайды.
Жобалау процесі екі түрлі деңгейде қарастырылады. Қасбеттердің макропішіні әрбір композиттік панельдің геометриясына әсер ететіндігінен басқа, өзек топологиясының өзі де мезо деңгейде жобалануы мүмкін. Параметрлік қасбет үлгісін пайдаланған кезде пішіні мен сыртқы түріне 3-суретте көрсетілген сырғытпаларды пайдалана отырып, қасбет бөліктерінің үлгісі әсер етуі мүмкін. Осылайша, жалпы бет нүктелік аттракторлардың көмегімен деформациялануы және өзгертуге болатын пайдаланушы анықтайтын масштабталатын беттен тұрады. деформацияның ең төменгі және максималды дәрежесін белгілеу. Бұл құрылыс конверттерін жобалауда жоғары икемділікті қамтамасыз етеді. Дегенмен, бұл еркіндік дәрежесі техникалық және өндірістік шектеулермен шектеледі, содан кейін олар инженерлік бөліктегі алгоритмдермен ойнатылады.
Бүкіл қасбеттің биіктігі мен енінен басқа, қасбеттік панельдердің бөлінуі анықталады. Жеке қасбеттік панельдерге келетін болсақ, олар мезо деңгейде дәлірек анықталуы мүмкін. Бұл өзек құрылымының топологиясына, сондай-ақ әйнектің қалыңдығына әсер етеді. Бұл екі айнымалы, сондай-ақ панельдің өлшемі машина жасау модельдеуімен маңызды байланысқа ие. Бүкіл макро және мезодеңгейдің дизайны мен дамуы құрылымның, функцияның, эстетиканың және өнім дизайнының төрт категориясы бойынша оңтайландыру тұрғысынан жүзеге асырылуы мүмкін. Пайдаланушылар осы аймақтарға басымдық беру арқылы ғимарат конвертінің жалпы көрінісі мен сезімін дамыта алады.
Жобаға кері байланыс циклі арқылы инженерлік бөлік қолдау көрсетеді. Осы мақсатта мақсаттар мен шекаралық шарттар 2-суретте көрсетілген оңтайландыру санатында анықталған. Олар жобалауға айтарлықтай әсер ететін инженерлік тұрғыдан алғанда техникалық мүмкін, физикалық сенімді және қауіпсіз құрылыс дәліздерін қамтамасыз етеді. Бұл Grasshopper бағдарламасына тікелей біріктіруге болатын әртүрлі құралдардың бастапқы нүктесі. Қосымша зерттеулерде механикалық қасиеттерді Ақырлы элементтерді талдау (FEM) немесе тіпті аналитикалық есептеулер арқылы бағалауға болады.
Сонымен қатар, күн радиациясын зерттеу, көру сызығын талдау және күн сәулесінің ұзақтығын модельдеу композиттік панельдердің құрылыс физикасына әсерін бағалай алады. Жобалау процесінің жылдамдығын, тиімділігін және икемділігін шектен тыс шектемеу маңызды. Осылайша, мұнда алынған нәтижелер жобалау процесіне қосымша нұсқаулар мен қолдау көрсету үшін әзірленген және жобалау процесінің соңында егжей-тегжейлі талдау мен негіздеуді алмастыра алмайды. Бұл стратегиялық жоспар дәлелденген нәтижелер үшін одан әрі категориялық зерттеулерге негіз қалайды. Мысалы, әртүрлі жүктеме және тірек жағдайларындағы композиттік панельдердің механикалық әрекеті туралы әлі аз белгілі.
Жобалау және жобалау аяқталғаннан кейін модель цифрлық өндіріске дайын болады. Өндіріс процесі төрт ішкі кезеңге бөлінеді (4-сурет). Біріншіден, негізгі құрылым кең ауқымды роботтандырылған 3D басып шығару қондырғысының көмегімен аддитивті түрде жасалды. Содан кейін бет жақсы жабысу үшін қажетті бет сапасын жақсарту үшін бірдей роботтық жүйені пайдаланып фрезерленеді. Фрезерлеуден кейін желім басып шығару және фрезерлеу процесінде қолданылатын сол роботтық жүйеге орнатылған арнайы әзірленген мөлшерлеу жүйесін пайдалана отырып, негізгі құрылым бойымен қолданылады. Соңында, әйнек жабыстырылған қосылыстарды ультракүлгін сәулелермен емдеуге дейін орнатылады және төселеді.
Қосымша өндіріс үшін негізгі құрылымның анықталған топологиясы CNC машина тіліне (GCode) аударылуы керек. Біркелкі және жоғары сапалы нәтижелерге қол жеткізу үшін мақсат - экструдер саптамасын құлатпай әр қабатты басып шығару. Бұл қозғалыстың басында және соңында қажетсіз артық қысымның алдын алады. Сондықтан, пайдаланылатын ұяшық үлгісі үшін үздіксіз траектория генерациясының сценарийі жазылды. Бұл дизайнға сәйкес таңдалған панель өлшеміне, ұяшықтардың саны мен өлшеміне бейімделетін бірдей бастапқы және соңғы нүктелері бар параметрлік үздіксіз полисызықты жасайды. Сонымен қатар, негізгі құрылымның қажетті биіктігіне жету үшін сызықтарды төсеу алдында сызық ені мен сызық биіктігі сияқты параметрлерді көрсетуге болады. Сценарийдегі келесі қадам G-код командаларын жазу болып табылады.
Бұл позициялау және экструзия көлемін басқаруға арналған басқа сәйкес осьтер сияқты қосымша машина ақпаратымен сызықтағы әрбір нүктенің координаталарын жазу арқылы жасалады. Алынған G-код содан кейін өндіріс машиналарына берілуі мүмкін. Бұл мысалда сызықтық рельстегі Comau NJ165 өнеркәсіптік робот тұтқасы G-код бойынша CEAD E25 экструдерін басқару үшін пайдаланылады (5-сурет). Бірінші прототипте шыны талшығы 20% құрайтын постиндустриалды PETG қолданылды. Механикалық сынау тұрғысынан мақсатты өлшем құрылыс индустриясының өлшеміне жақын, сондықтан негізгі элементтің өлшемдері 6 × 4 бал ұяшықтары бар 1983 × 876 мм. 6 мм және 2 мм биіктікте.
Алдын ала сынақтар оның бетінің қасиеттеріне байланысты желім мен 3D басып шығару шайыры арасында жабысқақ беріктікте айырмашылық бар екенін көрсетті. Бұл әрекетті орындау үшін аддитивті өндіріс сынағы үлгілері шыныға жабыстырылады немесе ламинатталған және тартылуға немесе ығысуға ұшырайды. Полимер бетін фрезерлеу арқылы алдын ала механикалық өңдеу кезінде беріктік айтарлықтай өсті (6-сурет). Сонымен қатар, ол өзекшенің тегістігін жақсартады және шамадан тыс экструзиядан туындаған ақауларды болдырмайды. Мұнда қолданылатын ультракүлгін сәулесімен емделетін LOCTITE® AA 3345™ [19] акрилат өңдеу шарттарына сезімтал.
Бұл көбінесе байланыс сынақ үлгілері үшін жоғары стандартты ауытқуға әкеледі. Қосымша өндірістен кейін өзек құрылымы профильді фрезерлік станокта фрезерленді. Бұл әрекетке қажетті G-коды 3D басып шығару процесі үшін бұрыннан жасалған құралдар жолынан автоматты түрде жасалады. Өзек құрылымын жоспарланған өзек биіктігінен сәл жоғары басып шығару керек. Бұл мысалда қалыңдығы 18 мм өзек құрылымы 14 мм дейін қысқартылды.
Өндіріс процесінің бұл бөлігі толық автоматтандыру үшін үлкен қиындық болып табылады. Желімдерді қолдану машиналардың дәлдігі мен дәлдігіне жоғары талаптар қояды. Пневматикалық мөлшерлеу жүйесі желімді өзек құрылымы бойымен жағу үшін қолданылады. Оны робот белгіленген аспап жолына сәйкес фрезерлік бет бойымен басқарады. Дәстүрлі тарату ұшын щеткамен ауыстыру әсіресе тиімді болып шықты. Бұл тұтқырлығы төмен желімдерді көлемі бойынша біркелкі таратуға мүмкіндік береді. Бұл сома жүйедегі қысыммен және роботтың жылдамдығымен анықталады. Дәлдік пен жоғары байланыстыру сапасы үшін 200-ден 800 мм/мин төмен жүру жылдамдығына артықшылық беріледі.
Орташа тұтқырлығы 1500 мПа*с акрилат 0,3-тен 0,6 мбарға дейінгі қысымда ішкі диаметрі 0,84 мм және ені 5 щеткамен мөлшерлеуші ​​щетканың көмегімен ені 6 мм полимер өзегінің қабырғасына жағылды. мм. Содан кейін желім субстраттың бетіне таралады және беттік керілудің арқасында қалыңдығы 1 мм қабат құрайды. Желім қалыңдығын дәл анықтау әлі автоматтандыру мүмкін емес. Процестің ұзақтығы желімді таңдаудың маңызды критерийі болып табылады. Мұнда шығарылатын негізгі құрылымның жол ұзындығы 26 м, сондықтан қолдану уақыты 30-дан 60 минутқа дейін.
Желімді қолданғаннан кейін екі қабатты терезені орнына орнатыңыз. Материалдың төмен қалыңдығына байланысты жұқа әйнек өз салмағынан қатты деформацияланған және сондықтан мүмкіндігінше біркелкі орналасуы керек. Ол үшін уақыт бойынша дисперсті сорғыштары бар пневматикалық шыны сорғыштар қолданылады. Ол кран арқылы құрамдас бөлікке орналастырылады, ал болашақта роботтардың көмегімен тікелей орналастырылуы мүмкін. Шыны пластина жабысқақ қабаттағы ядроның бетіне параллель орналастырылды. Салмағы жеңіл болғандықтан, қосымша шыны пластина (қалыңдығы 4-тен 6 мм-ге дейін) оған қысымды арттырады.
Нәтиже негізгі құрылымның бойымен шыны бетінің толық сулануы болуы керек, себебі көрінетін түс айырмашылықтарын бастапқы визуалды тексеруден бағалауға болады. Қолдану процесі соңғы байланыстырылған қосылыстың сапасына да айтарлықтай әсер етуі мүмкін. Жабысқаннан кейін шыны панельдерді жылжытпау керек, себебі бұл шыныда көрінетін жабысқақ қалдықтарға және нақты жабысқақ қабатта ақауларға әкеледі. Соңында желім 365 нм толқын ұзындығында ультракүлгін сәулеленумен өңделеді. Ол үшін 6 мВт/см2 қуат тығыздығы бар ультракүлгін шам 60 с бойы бүкіл желім бетіне біртіндеп өтеді.
Мұнда талқыланатын, қосымша дайындалған полимерлі өзегі бар жеңіл және теңшелетін жұқа шыны композиттік панельдер тұжырымдамасы болашақ қасбеттерде пайдалануға арналған. Осылайша, композиттік панельдер қолданыстағы стандарттарға сәйкес келуі және қызмет көрсетудің шекті күйлері (SLS), шекті беріктіктің шекті күйлері (ULS) және қауіпсіздік талаптарына сай болуы керек. Сондықтан композиттік панельдер сынбай немесе шамадан тыс деформациясыз жүктемелерге (мысалы, беттік жүктемелерге) төтеп беретіндей қауіпсіз, берік және қатты болуы керек. Бұрын дайындалған жұқа шыны композиттік панельдердің механикалық әсерін зерттеу үшін (Механикалық сынақ бөлімінде сипатталғандай), олар келесі бөлімде сипатталғандай жел жүктемесі сынақтарынан өтті.
Физикалық сынақтың мақсаты - жел жүктемесі кезінде сыртқы қабырғалардың композиттік панельдерінің механикалық қасиеттерін зерттеу. Осы мақсатта қалыңдығы 3 мм толық шыңдалған шыны сыртқы парақтан және қалыңдығы 14 мм қосымша дайындалған өзектен (PIPG-GF20) тұратын композиттік панельдер жоғарыда сипатталғандай Henkel Loctite AA 3345 желімімен дайындалған (сол жақта сурет 7). )). . Содан кейін композициялық панельдер ағаш жақтау арқылы және негізгі құрылымның бүйірлеріне жүргізілетін металл бұрандалармен ағаш тірек жақтауына бекітіледі. Панельдің периметрі бойынша 30 бұранда (7-суретте сол жақтағы қара сызықты қараңыз) периметрдің айналасындағы сызықтық тірек шарттарын мүмкіндігінше жақын етіп шығару үшін орналастырылды.
Содан кейін композиттік панельдің артында жел қысымын немесе жел сору арқылы сынақ жақтауы сыртқы сынақ қабырғасына тығыздалған (сурет 7, жоғарғы оң жақта). Мәліметтерді жазу үшін цифрлық корреляция жүйесі (DIC) қолданылады. Ол үшін композиттік панельдің сыртқы әйнегі інжу-маржанды шу үлгісімен басылған жұқа серпімді парақпен жабылған (Cурет 7, төменгі оң жақта). DIC бүкіл шыны бетіндегі барлық өлшеу нүктелерінің салыстырмалы орнын жазу үшін екі камераны пайдаланады. Секундына екі сурет жазылып, бағалау үшін пайдаланылды. Композиттік панельдермен қоршалған камерадағы қысым 1000 Па қадаммен 4000 Па максималды мәнге дейін желдеткіш арқылы артады, осылайша әрбір жүктеме деңгейі 10 секунд сақталады.
Тәжірибенің физикалық қондырғысы да бірдей геометриялық өлшемдері бар сандық модельмен ұсынылған. Ол үшін Ansys Mechanical сандық бағдарламасы қолданылады. Негізгі құрылым шыныға арналған 20 мм жақтары бар SOLID 185 алтыбұрышты элементтерін және 3 мм жақтары бар SOLID 187 тетраэдрлік элементтерін пайдаланатын геометриялық тор болды. Модельдеуді жеңілдету үшін зерттеудің осы кезеңінде бұл жерде қолданылатын акрилат мінсіз қатты және жұқа болып табылады және шыны мен негізгі материал арасындағы қатты байланыс ретінде анықталады.
Композиттік панельдер өзектен тыс түзу сызықта бекітіледі, ал шыны панель 4000 Па беттік қысым жүктемесіне ұшырайды. Модельдеу кезінде геометриялық бейсызықтықтар ескерілгенімен, осы кезеңде тек сызықтық материал модельдері қолданылды. оқу. Бұл шынының (E = 70 000 МПа) сызықтық серпімділік реакциясы үшін жарамды болжам болса да, (тұтқыр серпімді) полимерлі өзек материалын өндірушінің деректер парағына сәйкес [17], сызықтық қаттылық E = 8245 МПа ағымдағы талдау мұқият қарастырылуы керек және болашақ зерттеулерде зерттелетін болады.
Мұнда келтірілген нәтижелер негізінен 4000 Па (=ˆ4кН/м2) дейінгі максималды жел жүктемелеріндегі деформациялар үшін бағаланады. Ол үшін DIC әдісімен жазылған кескіндер сандық модельдеу (FEM) нәтижелерімен салыстырылды (сурет 8, төменгі оң жақ). Жиек аймағындағы «идеалды» сызықтық тіректермен (яғни, панель периметрі) 0 мм идеалды жалпы деформация FEM-де есептелгенімен, DIC бағалау кезінде жиек аймағының физикалық жылжуын ескеру қажет. Бұл сынау жақтауының және оның тығыздағыштарының деформациясы мен орнатудың төзімділігіне байланысты. Салыстыру үшін жиек аймағындағы орташа ығысу (8-суреттегі үзік ақ сызық) панельдің ортасындағы максималды жылжудан алынып тасталды. DIC және FEA анықтаған орын ауыстырулар 1-кестеде салыстырылады және 8-суреттің жоғарғы сол жақ бұрышында графикалық түрде көрсетілген.
Эксперименттік модельдің төрт қолданбалы жүктеме деңгейі бағалау үшін бақылау нүктелері ретінде пайдаланылды және FEM-де бағаланды. Композиттік пластинаның жүктемесіз күйдегі ең үлкен орталық орын ауыстыруы 2,18 мм-де 4000 Па жүктеме деңгейінде DIC өлшемдерімен анықталды. Төменгі жүктемелерде (2000 Па дейін) FEA ығысулары әлі де тәжірибелік мәндерді дәл қайталай алатынымен, жоғары жүктемелердегі деформацияның сызықтық емес өсуін дәл есептеу мүмкін емес.
Дегенмен, зерттеулер композиттік панельдердің қатты жел жүктемелеріне төтеп бере алатынын көрсетті. Жеңіл панельдердің жоғары қаттылығы ерекше көзге түседі. Кирхгоф тақталарының [20] сызықтық теориясына негізделген аналитикалық есептеулерді қолданып, 4000 Па температурада 2,18 мм деформация сол шекаралық жағдайларда қалыңдығы 12 мм бір шыны пластинаның деформациясына сәйкес келеді. Нәтижесінде, бұл композиттік панельдегі әйнектің қалыңдығын (өндірісте энергияны көп қажет етеді) 2 x 3 мм шыныға дейін азайтуға болады, нәтижесінде материалды 50% үнемдеуге болады. Панельдің жалпы салмағын азайту құрастыру тұрғысынан қосымша артықшылықтар береді. 30 кг композиттік панельді екі адам оңай басқара алатын болса, дәстүрлі 50 кг шыны панель қауіпсіз қозғалу үшін техникалық қолдауды қажет етеді. Механикалық әрекетті дәл көрсету үшін болашақ зерттеулерде толығырақ сандық модельдер қажет болады. Ақырғы элементтерді талдауды полимерлер мен адгезивтік байланысты модельдеу үшін кеңірек сызықты емес материал үлгілері арқылы одан әрі жақсартуға болады.
Құрылыс индустриясындағы экономикалық және экологиялық көрсеткіштерді жақсартуда цифрлық процестерді дамыту және жетілдіру басты рөл атқарады. Сонымен қатар, қасбеттерде жұқа шыны қолдану энергия мен ресурстарды үнемдеуге уәде береді және сәулет үшін жаңа мүмкіндіктер ашады. Дегенмен, әйнектің шағын қалыңдығына байланысты әйнекті жеткілікті түрде күшейту үшін жаңа дизайн шешімдері қажет. Сондықтан, осы мақалада ұсынылған зерттеу жұқа шыныдан жасалған композиттік панельдер мен біріктірілген күшейтілген 3D басып шығарылған полимерлі негізгі құрылымдардың тұжырымдамасын зерттейді. Жобалаудан бастап өндіріске дейінгі бүкіл өндіріс процесі цифрландырылған және автоматтандырылған. Grasshopper көмегімен болашақ қасбеттерде жұқа шыны композиттік панельдерді пайдалануға мүмкіндік беретін файлдан зауытқа дейінгі жұмыс процесі әзірленді.
Бірінші прототиптің өндірісі роботты өндірістің орындылығы мен қиындықтарын көрсетті. Аддитивті және субтрактивті өндіріс қазірдің өзінде жақсы интеграцияланған болса да, толық автоматтандырылған желім қолдану және құрастыру, атап айтқанда, болашақ зерттеулерде шешілетін қосымша қиындықтарды тудырады. Алдын ала механикалық сынақтар және олармен байланысты соңғы элементтерді зерттеу модельдеу арқылы жеңіл және жұқа шыны талшықты панельдер желдің қатты жүктемесі жағдайында да қасбеттік қолдану үшін жеткілікті иілу қаттылығын қамтамасыз ететіні көрсетілді. Авторлардың жүргізіп жатқан зерттеулері қасбеттік қолданбалар үшін сандық түрде дайындалған жұқа шыны композиттік панельдердің әлеуетін одан әрі зерттейді және олардың тиімділігін көрсетеді.
Авторлар осы зерттеу жұмысымен байланысты барлық қолдаушыларға алғысын білдіреді. EFRE SAB қаржыландыру бағдарламасының арқасында Еуропалық Одақтың № № грант түріндегі қорлары экструдер мен фрезерлік құрылғысы бар манипуляторды сатып алу үшін қаржылық ресурстарды қамтамасыз етеді. 100537005. Сонымен қатар, AiF-ZIM Glasfur3D зерттеу жобасын (грант нөмірі ZF4123725WZ9) Glaswerkstätten Glas Ahne компаниясымен бірлесіп қаржыландырғаны үшін танылды, бұл зерттеу жұмысына айтарлықтай қолдау көрсетті. Соңында, Фридрих Сименс зертханасы және оның әріптестері, әсіресе Феликс Хегевальд және студенттің көмекшісі Джонатан Холцерр, осы жұмыстың негізін құраған өндіріс пен физикалық сынақтың техникалық қолдауы мен жүзеге асырылуын мойындайды.