Beira mehearen erabilerak eraikuntza-industrian hainbat zeregin beteko dituela agintzen du. Baliabideen erabilera eraginkorragoaren ingurumen-onurez gain, arkitektoek beira mehea erabil dezakete diseinu-askatasun maila berriak lortzeko. Ogitartekoaren teorian oinarrituta, beira mehe malgua 3D inprimatutako zelula irekiko polimero nukleo batekin konbina daiteke oso zurruna eta arina osatzeko.
elementu konposatuak. Artikulu honek robot industrialak erabiliz beirazko konpositezko fatxada panel meheen fabrikazio digitalaren saiakera bat aurkezten du. Fabrikatik fabrikako lan-fluxuak digitalizatzeko kontzeptua azaltzen du, ordenagailuz lagundutako diseinua (CAD), ingeniaritza (CAE) eta fabrikazioa (CAM) barne. Azterketak diseinu-prozesu parametriko bat erakusten du, analisi digitaleko tresnen integrazio ezin hobea ahalbidetzen duena.
Gainera, prozesu honek beira konposatuzko panel meheak digitalki fabrikatzearen potentziala eta erronkak erakusten ditu. Robot industrialaren beso batek egiten dituen fabrikazio-pauso batzuk, hala nola, formatu handiko fabrikazio gehigarria, gainazalaren mekanizazioa, itsastea eta muntaketa-prozesuak azaltzen dira. Azkenik, lehenengo aldiz, panel konposatuen propietate mekanikoen ulermen sakona lortu da azterketa esperimental eta numerikoen bidez eta gainazaleko kargapean panel konposatuen propietate mekanikoen ebaluazioaren bidez. Diseinu digitalaren eta fabrikazioaren lan-fluxuaren kontzeptu orokorrak, eta azterketa esperimentalen emaitzek, formaren definizio eta analisi metodoak gehiago integratzeko oinarria eskaintzen dute, baita etorkizuneko ikerketetan azterketa mekaniko zabalak egiteko ere.
Fabrikazio digitaleko metodoek ekoizpena hobetzeko aukera ematen dute metodo tradizionalak eraldatuz eta diseinu aukera berriak eskainiz [1]. Eraikuntza-metodo tradizionalek materialak gehiegi erabili ohi dituzte kostuari, oinarrizko geometriari eta segurtasunari dagokionez. Eraikuntza fabriketara eramanez, aurrefabrikazio modularra eta robotika erabiliz diseinu metodo berriak ezartzeko, materialak eraginkortasunez erabil daitezke segurtasuna arriskuan jarri gabe. Fabrikazio digitalak gure diseinuaren irudimena zabaltzeko aukera ematen digu, forma geometriko anitzagoak, eraginkorragoak eta anbiziotsuagoak sortzeko. Diseinu- eta kalkulu-prozesuak neurri handi batean digitalizatu diren arren, fabrikazioa eta muntaia oraindik ere eskuz egiten dira gehienbat modu tradizionaletan. Forma libreko egitura gero eta konplexuagoei aurre egiteko, fabrikazio digitaleko prozesuek gero eta garrantzi handiagoa dute. Askatasun eta diseinu malgutasun nahia, batez ere fatxadei dagokienez, etengabe hazten ari da. Ikusmen-efektuaz gain, forma askeko fatxadek egitura eraginkorragoak sortzeko aukera ematen dute, adibidez, mintz-efektuak erabiliz [2]. Gainera, fabrikazio digitaleko prozesuen potentzial handia haien eraginkortasunean eta diseinua optimizatzeko aukeran datza.
Artikulu honek teknologia digitala nola erabil daitekeen aztertzen du fatxada-panel berritzaile bat diseinatzeko eta fabrikatzeko, modu aditiboki fabrikatutako polimero-nukleo batez eta beirazko kanpoko panel mehe lotuak. Beira mehearen erabilerarekin lotutako aukera arkitektoniko berriez gain, ingurumen- eta ekonomia-irizpideak ere motibazio garrantzitsuak izan dira eraikinaren inguratzailea eraikitzeko material gutxiago erabiltzeko. Klima-aldaketarekin, baliabideen eskasiarekin eta energiaren prezioen igoerarekin etorkizunean, beira hobeto erabili behar da. Elektronika industriatik 2 mm-tik beherako beira mehea erabiltzeak fatxada argia egiten du eta lehengaien erabilera murrizten du.
Beira mehearen malgutasun handia dela eta, aukera berriak irekitzen ditu arkitektura-aplikazioetarako eta, aldi berean, ingeniaritza-erronka berriak planteatzen ditu [3,4,5,6]. Beira mehea erabiltzen duten fatxada proiektuen egungo ezarpena mugatua den arren, beira mehea gero eta gehiago erabiltzen da ingeniaritza zibileko eta arkitektura ikasketetan. Beira meheak deformazio elastikorako duen gaitasun handia dela eta, fatxadetan erabiltzeko egitura-soluzio sendotuak behar dira [7]. Geometria kurbatuaren ondorioz mintz-efektua ustiatzeaz gain [8], inertzia-momentua ere handitu daiteke polimero nukleo batez eta itsatsitako beirazko kanpoko xafla mehe batez osatutako geruza anitzeko egitura baten bidez. Ikuspegi honek itxaropena erakutsi du polikarbonatozko nukleo garden gogor baten erabileragatik, beira baino trinkotasun txikiagoa dena. Ekintza mekaniko positiboaz gain, segurtasun irizpide osagarriak bete ziren [9].
Ondorengo azterketaren ikuspegia kontzeptu berean oinarritzen da, baina gehigarriki fabrikatutako poro irekiko nukleo zeharrargi bat erabiliz. Horrek askatasun geometriko eta diseinu-aukera handiagoa bermatzen du, baita eraikinaren funtzio fisikoen integrazioa ere [10]. Panel konposatu horiek bereziki eraginkorrak frogatu dira proba mekanikoetan [11] eta erabiltzen den beira kopurua % 80ra arte murrizteko konpromisoa hartzen dute. Horrek beharrezkoak diren baliabideak murrizteaz gain, panelen pisua nabarmen murriztuko du, eta horrela azpiegituraren eraginkortasuna areagotuko da. Baina eraikuntza-modu berriek ekoizpen-modu berriak behar dituzte. Egitura eraginkorrak fabrikazio prozesu eraginkorrak behar ditu. Diseinu digitalak fabrikazio digitalean laguntzen du. Artikulu honek egilearen aurreko ikerketari jarraipena ematen dio, robot industrialentzako beirazko panel mehe konposatuen fabrikazio digitaleko prozesuen azterketa aurkeztuz. Fokua formatu handiko lehen prototipoen fitxategitik fabrikako lan-fluxua digitalizatzea da, fabrikazio-prozesuaren automatizazioa areagotzeko.
Panel konposatua (1. irudia) AM polimeroaren nukleo baten inguruan inguratutako beirazko bi estalki mehez osatuta dago. Bi zatiak kolarekin lotuta daude. Diseinu honen helburua karga zati osoan ahalik eta modu eraginkorrenean banatzea da. Makurtze-momentuek tentsio normalak sortzen dituzte oskolean. Alboko indarrek ebakidura-esfortzuak eragiten dituzte nukleoan eta juntura itsasgarrietan.
Ogitarteko egituraren kanpoko geruza beira mehez egina dago. Printzipioz, kare sosa silikatozko beira erabiliko da. Helburuko lodiera < 2 mm-arekin, tenplaketa-prozesua egungo muga teknologikora iristen da. Kimikoki sendotutako aluminosilikatozko beira bereziki egokitzat jo daiteke diseinuagatik (adibidez, hotz tolestutako panelak) edo erabileragatik erresistentzia handiagoa behar bada [12]. Argiaren transmisioa eta ingurumena babesteko funtzioak propietate mekaniko onekin osatuko dira, hala nola, marraduraren erresistentzia ona eta Young-en modulu nahiko altua konpositeetan erabiltzen diren beste materialen aldean. Kimikoki gogortutako beira mehearentzat eskuragarri dagoen tamaina mugatua dela eta, 3 mm-ko lodierako guztiz tenplatutako beira soda-karezko panelak erabili ziren eskala handiko lehen prototipoa sortzeko.
Euskarri-egitura panel konposatuaren forma zati gisa hartzen da. Ia atributu guztiak eragiten ditu. Fabrikazio gehigarriaren metodoari esker, fabrikazio digitalaren prozesuaren erdigunea ere bada. Termoplastikoak fusio bidez prozesatzen dira. Horri esker, polimero ezberdin ugari erabil daitezke aplikazio zehatzetarako. Elementu nagusien topologia enfasi ezberdinarekin diseina daiteke haien funtzioaren arabera. Horretarako, forma-diseinua honako lau diseinu-kategoria hauetan bana daiteke: diseinu estrukturala, diseinu funtzionala, diseinu estetikoa eta ekoizpen-diseinua. Kategoria bakoitzak helburu desberdinak izan ditzake, eta horrek topologia desberdinak sor ditzake.
Aurretiazko azterketan, diseinu nagusietako batzuk haien diseinuaren egokitasunari buruz probatu ziren [11]. Ikuspuntu mekanikotik, giroskopioaren hiru aldiko gutxieneko nukleoaren azalera bereziki eraginkorra da. Honek erresistentzia mekaniko handia ematen dio tolesturari, material kontsumo nahiko baxuan. Azaleko eskualdeetan erreproduzitutako oinarrizko egitura zelularrez gain, topologia beste forma aurkitzeko teknika batzuen bidez ere sor daiteke. Esfortzu-lerroak sortzea da zurruntasuna ahalik eta pisu txikienean optimizatzeko modu posibleetako bat [13]. Hala ere, sandwich-eraikuntzetan oso erabilia den abaraska-egitura, produkzio-lerroaren garapenerako abiapuntu gisa erabili da. Oinarrizko forma honek ekoizpenean aurrerapen azkarra dakar, batez ere erreminta-ibilbideen programazio errazaren bidez. Panel konposatuetan duen portaera sakon aztertu da [14, 15, 16] eta itxura modu askotan alda daiteke parametrizazioaren bidez eta hasierako optimizazio kontzeptuetarako ere erabil daiteke.
Polimero bat aukeratzerakoan kontuan hartu beharreko polimero termoplastiko asko daude, erabilitako estrusio-prozesuaren arabera. Eskala txikiko materialen hasierako lehen ikerketek fatxadetan erabiltzeko egokiak diren polimeroen kopurua murriztu dute [11]. Polikarbonatoa (PC) itxaropentsua da beroarekiko erresistentziagatik, UV erresistentziagatik eta zurruntasun handiagatik. Polikarbonatoa prozesatzeko beharrezkoa den inbertsio tekniko eta finantzario gehigarriaren ondorioz, etilenglikol eraldatutako polietileno tereftalatoa (PETG) erabili zen lehen prototipoak egiteko. Tenperatura baxu samarretan prozesatzea bereziki erraza da tentsio termikoa eta osagaiak deformatzeko arrisku txikiarekin. Hemen erakusten den prototipoa PIPG izeneko PETG birziklatuz egina dago. Materiala aldez aurretik lehortu zen 60 °C-tan gutxienez 4 orduz eta % 20ko beira-zuntz edukia zuten granuletan prozesatu zen [17].
Itsasgarriak lotura sendoa ematen du polimeroaren nukleoaren egituraren eta beirazko estalki mehearen artean. Panel konposatuak tolestura-kargak jasaten dituztenean, juntura itsasgarriak ebakidura-esfortzua jasaten dute. Hori dela eta, itsasgarri gogorragoa hobesten da eta desbideratzea murriztu dezake. Itsasgarri garbiek ikusmen-kalitate handia eskaintzen laguntzen dute beira garbiarekin lotzen direnean. Itsasgarri bat aukeratzerakoan beste faktore garrantzitsu bat fabrikagarritasuna eta ekoizpen prozesu automatizatuetan integratzea da. Hemen UV ontze-kosgarriek ontze-denbora malguak dituzten itsasgarriek estalki-geruzen kokapena asko erraztu dezakete. Aurretiazko probetan oinarrituta, itsasgarri batzuk probatu ziren beirazko panel mehe konposatuetarako egokiak zirela [18]. Loctite® AA 3345™ UV sendagarria den akrilatoa [19] honako prozesu honetarako bereziki egokia dela frogatu da.
Fabrikazio gehigarriaren aukerak eta beira mehearen malgutasuna aprobetxatzeko, prozesu osoa digitalki eta parametrikoki lan egiteko diseinatu zen. Grasshopper programazio bisualeko interfaze gisa erabiltzen da, programa ezberdinen arteko interfazeak saihestuz. Diziplina guztiek (ingeniaritza, ingeniaritza eta fabrikazioa) elkarren laguntza eta osatuko dute fitxategi batean, operadorearen zuzeneko iritziarekin. Azterketaren fase honetan, lan-fluxua garatzen ari da oraindik eta 2. Irudian agertzen den ereduari jarraitzen dio. Helburu desberdinak diziplinen barruan sailka daitezke.
Artikulu honetan sandwich-panelen ekoizpena erabiltzailearengan oinarritutako diseinuarekin eta fabrikazio-prestaketarekin automatizatu bada ere, ingeniaritza-tresn indibidualen integrazioa eta balioztatzea ez da guztiz gauzatu. Fatxadaren geometriaren diseinu parametrikoan oinarrituta, eraikinaren kanpoko oskola diseina daiteke makro mailan (fatxada) eta mesoan (fatxadako panelak). Bigarren urratsean, ingeniaritza-feedbackaren begiztak segurtasuna eta egokitasuna ebaluatzea du helburu, baita gortina-hormaren fabrikazioaren bideragarritasuna ere. Azkenik, sortzen diren panelak ekoizpen digitalerako prest daude. Programak garatutako oinarrizko egitura makinaz irakur daitekeen G-kodean prozesatzen du eta fabrikazio gehigarrirako, postprozesamendu kengarrirako eta beira-loturarako prestatzen du.
Diseinu prozesua bi maila ezberdinetan hartzen da kontuan. Fatxaden makro-formak panel konposatu bakoitzaren geometrian eragina izateaz gain, nukleoaren topologia bera ere meso mailan diseina daiteke. Fatxada-eredu parametriko bat erabiltzean, itxuran eta itxuran eragina izan daiteke adibideko fatxada-sekzioek 3. irudian ageri diren irristagailuak erabiliz. Beraz, gainazal osoa erabiltzaileak definitutako gainazal eskalagarri batez osatuta dago, puntu-erakarleen bidez deformatu daitekeena eta alda daitekeena. deformazio-maila minimoa eta maximoa zehaztuz. Horrek malgutasun maila handia ematen du eraikinen inguratzaileen diseinuan. Hala ere, askatasun-maila hori muga tekniko eta fabrikazio-murriztapenek mugatzen dute, gero ingeniaritza zatiko algoritmoek betetzen dituztenak.
Fatxada osoaren altuera eta zabaleraz gain, fatxadako panelen banaketa zehazten da. Banakako fatxadako panelei dagokienez, meso mailan zehatzago definitu daitezke. Horrek nukleoaren egituraren topologiari berari eragiten dio, baita beiraren lodierari ere. Bi aldagai hauek, baita panelaren tamainak ere, harreman garrantzitsua dute ingeniaritza mekanikoko modelizazioarekin. Makro eta meso maila osoaren diseinua eta garapena optimizazioari dagokionez egin daiteke egitura, funtzio, estetika eta produktuaren diseinua lau kategorietan. Erabiltzaileek eraikinaren inguratzailearen itxura orokorra garatu dezakete eremu horiei lehentasuna emanez.
Proiektua ingeniaritza zatiak onartzen du feedback-begizta erabiliz. Horretarako, helburuak eta muga-baldintzak definitzen dira 2. irudian ageri den optimizazio-kategorian. Teknikoki bideragarriak, fisikoki sendoak eta ingeniaritzaren ikuspuntutik eraikitzeko seguruak diren korridoreak eskaintzen dituzte, eta horrek diseinuan eragin handia du. Hau da Grasshopper-en zuzenean integra daitezkeen hainbat tresnaren abiapuntua. Ikerketa gehiagotan, propietate mekanikoak elementu finituen analisia (FEM) edo kalkulu analitikoak erabiliz ebaluatu daitezke.
Horrez gain, eguzki-erradiazioaren ikerketek, ikusmen-lerroaren analisiak eta eguzkiaren iraupenaren modelizazioak panel konposatuek eraikinen fisikan duten eragina ebalua dezakete. Garrantzitsua da diseinu-prozesuaren abiadura, eraginkortasuna eta malgutasuna gehiegi ez mugatzea. Horrenbestez, hemen lortutako emaitzak diseinu-prozesuari jarraibide eta laguntza osagarriak emateko diseinatu dira, eta ez dira diseinu-prozesuaren amaieran azterketa zehatza eta justifikazioa ordezkatzen. Plan estrategiko honek frogatutako emaitzak lortzeko ikerketa kategoriko gehiagorako oinarriak ezartzen ditu. Adibidez, oraindik ezer gutxi dakigu panel konposatuen portaera mekanikoari buruz karga eta euskarri baldintza ezberdinetan.
Diseinua eta ingeniaritza amaitutakoan, eredua ekoizpen digitalerako prest dago. Fabrikazio-prozesua lau azpietapatan banatzen da (4. irudia). Lehenik eta behin, egitura nagusia modu gehigarrian fabrikatu zen eskala handiko robotiko 3D inprimatzeko instalazio baten bidez. Ondoren, gainazala fresatzen da sistema robotiko bera erabiliz, lotura ona izateko beharrezkoa den gainazaleko kalitatea hobetzeko. Fresatu ondoren, itsasgarria nukleo-egituran zehar aplikatzen da inprimatzeko eta fresatzeko prozesurako erabiltzen den sistema robotiko berean muntatutako bereziki diseinatutako dosifikazio-sistema baten bidez. Azkenik, beira instalatu eta jartzen da lotura-junturaren UV ontze aurretik.
Fabrikazio gehigarrirako, azpiko egituraren definitutako topologia CNC makina lengoaiara (GCode) itzuli behar da. Emaitza uniformeak eta kalitate handikoak lortzeko, helburua geruza bakoitza inprimatzea da, estrusorearen pita erori gabe. Honek mugimenduaren hasieran eta amaieran nahi ez den gainpresioa saihesten du. Hori dela eta, etengabeko ibilbidea sortzeko script bat idatzi zen erabiltzen ari den gelaxka eredurako. Honek, hasierako eta amaierako puntu berberak dituen polilinea jarraitu parametriko bat sortuko du, diseinuaren arabera hautatutako panelen tamainara, kopurura eta abaraska tamainara egokitzen dena. Horrez gain, lerroaren zabalera eta lerroaren altuera bezalako parametroak zehaztu daitezke lerroak jarri aurretik, egitura nagusiaren nahi den altuera lortzeko. Scriptaren hurrengo urratsa G-kodearen komandoak idaztea da.
Horretarako, lerroko puntu bakoitzaren koordenatuak makinaren informazio gehigarriarekin grabatzen dira, hala nola kokapenerako eta estrusio-bolumenaren kontrolarako beste ardatz garrantzitsu batzuk. Ondorioz, G-kodea ekoizpen-makinetara transferitu daiteke. Adibide honetan, Comau NJ165 robot industrialaren besoa errail linealean CEAD E25 estrusore bat G kodearen arabera kontrolatzeko erabiltzen da (5. Irudia). Lehenengo prototipoak PETG post-industriala erabili zuen %20ko beira-zuntz edukiarekin. Proba mekanikoei dagokienez, xede-tamaina eraikuntza-industriaren tamainatik hurbil dago, beraz, elementu nagusiaren dimentsioak 1983 × 876 mm-koak dira 6 × 4 abaraska-zelulekin. 6 mm eta 2 mm-ko altuera.
Aurretiazko probek erakutsi dute itsasgarriaren eta 3D inprimatzeko erretxinaren artean itsasgarritasunaren indarraren aldea dagoela bere gainazaleko propietateen arabera. Horretarako, fabrikazio gehigarriko probetako probetak beirari itsatsi edo laminatu egiten dira eta tentsioa edo zizailadura jasaten dira. Fresa bidez polimeroaren gainazalaren aurretiazko prozesamendu mekanikoan, indarra nabarmen handitu zen (6. irudia). Horrez gain, nukleoaren lautasuna hobetzen du eta gehiegizko estrusioak eragindako akatsak saihesten ditu. Hemen erabiltzen den LOCTITE® AA 3345™ [19] UV sendagarria den akrilatoa prozesatzeko baldintzetarako sentikorra da.
Horrek askotan desbideratze estandar handiagoa eragiten du lotura-probaren laginentzat. Fabrikazio gehigarria egin ondoren, nukleoaren egitura profila fresatzeko makina batean fresatu zen. Eragiketa honetarako beharrezkoa den G-kodea automatikoki sortzen da 3D inprimatzeko prozesurako dagoeneko sortutako erreminta-bideetatik. Nukleoaren egitura nahi den nukleoaren altuera baino zertxobait gorago inprimatu behar da. Adibide honetan, 18 mm-ko lodierako nukleoaren egitura 14 mm-ra murriztu da.
Fabrikazio-prozesuaren zati hau automatizazio osorako erronka handia da. Itsasgarrien erabilerak makinen zehaztasuna eta zehaztasuna eskatzen du. Dosifikatzeko sistema pneumatikoa erabiltzen da itsasgarria nukleoaren egituran zehar aplikatzeko. Robotak gidatzen du fresatzeko gainazalean, definitutako erremintaren ibilbidearen arabera. Ematen du dispensazio-punta tradizionala eskuila batekin ordezkatzea bereziki onuragarria dela. Horri esker, biskositate baxuko itsasgarriak bolumenaren arabera uniformeki bana daitezke. Kopuru hori sistemaren presioaren eta robotaren abiaduraren arabera zehazten da. Zehaztasun handiagoa eta lotura-kalitate handia lortzeko, 200 eta 800 mm/min arteko bidaia-abiadura baxuak hobesten dira.
1500 mPa*s-ko batez besteko biskositatea duen akrilatoa 6 mm-ko zabalerako polimeroaren nukleoaren horman 0,84 mm-ko barne-diametroa eta 5-ko eskuila-zabalera 0,3 eta 0,6 mbar arteko presio batean aplikatutako eskuila dosifikatzaile batekin aplikatu zen. mm. Ondoren, itsasgarria substratuaren gainazalean zabaltzen da eta 1 mm-ko lodierako geruza bat osatzen du gainazaleko tentsioaren ondorioz. Ezin da oraindik automatizatu itsasgarriaren lodieraren zehaztapen zehatza. Prozesuaren iraupena itsasgarri bat aukeratzeko irizpide garrantzitsua da. Hemen ekoiztutako nukleo-egiturak 26 m-ko ibilbidea du eta, beraz, 30 eta 60 minutu bitarteko aplikazio-denbora du.
Itsasgarria aplikatu ondoren, jarri beira bikoitzeko leihoa. Materialaren lodiera txikia dela eta, beira mehea dagoeneko oso deformatuta dago bere pisuaren ondorioz, eta, beraz, ahalik eta berdinen kokatu behar da. Horretarako, denboran sakabanatutako bentosak dituzten beirazko bentosa pneumatikoak erabiltzen dira. Osagaiaren gainean garabi baten bidez jartzen da, eta etorkizunean zuzenean robotak erabiliz jar daiteke. Beirazko plaka nukleoaren gainazalarekiko paralelo jarri zen itsasgarri geruzaren gainean. Pisu arinagoa denez, beirazko plaka gehigarri batek (4 eta 6 mm-ko lodiera) presioa areagotzen du.
Emaitza nukleo-egituran zehar beirazko gainazala erabat bustitzea izan behar da, kolore-desberdintasun ikusgarrien hasierako ikuskapenaren arabera epai daitekeen bezala. Aplikazio-prozesuak eragin handia izan dezake azken lotura-junturaren kalitatean ere. Lotu ondoren, beirazko panelak ez dira mugitu behar, horrek kristalean itsasgarri-hondakin ikusgaiak eta benetako itsasgarri-geruzan akatsak eragingo baititu. Azkenik, itsasgarria UV erradiazioarekin ontzen da 365 nm-ko uhin-luzeran. Horretarako, 6 mW/cm2-ko potentzia-dentsitatea duen UV lanpara bat pasatzen da pixkanaka itsasgarriaren gainazal osoan 60 s-tan.
Hemen eztabaidatzen den polimero-nukleo gehigarriarekin egindako beira konposatu mehe arin eta pertsonalizagarrien kontzeptua etorkizuneko fatxadetan erabiltzeko pentsatuta dago. Horrela, panel konposatuek aplikagarriak diren arauak bete behar dituzte eta zerbitzu-muga-egoeren (SLS), azken indarra-muga-egoeren (ULS) eta segurtasun-baldintzak bete behar dituzte. Hori dela eta, panel konposatuak seguruak, sendoak eta zurrunak izan behar dute kargak jasateko (azaleko kargak adibidez) hautsi edo gehiegizko deformaziorik gabe. Aurretik fabrikatutako beirazko panel mehe konposatuen erantzun mekanikoa ikertzeko (Saiakuntza Mekanikoen atalean deskribatzen den bezala), haize-karga probak egin zitzaizkien hurrengo azpiatalean deskribatzen den moduan.
Saiakuntza fisikoen helburua kanpoko hormetako panel konposatuen propietate mekanikoak aztertzea da, haize-kargapean. Horretarako, 3 mm-ko lodiera osoko beira tenplatuaren kanpoko xaflaz eta 14 mm-ko lodiera gehigarriz fabrikatutako nukleo batez (PIPG-GF20-tik) osatutako panel konposatuak fabrikatu ziren goiko Henkel Loctite AA 3345 itsasgarri erabiliz (ezkerreko 7. irudia). )). . Ondoren, panel konposatuak egurrezko euskarri-markora lotzen dira, zurezko markotik eta egitura nagusiaren alboetara sartzen diren metalezko torlojuekin. Panelaren perimetroaren inguruan 30 torloju jarri ziren (ikus 7. irudiko ezkerreko marra beltza) perimetroaren inguruko euskarri-baldintza linealak ahalik eta hurbilen erreproduzitzeko.
Ondoren, probako markoa kanpoko probako horman zigilatu zen, panel konposatuaren atzean haizearen presioa edo haizearen xurgapena aplikatuz (7. irudia, eskuineko goiko aldean). Datuak erregistratzeko, korrelazio sistema digitala (DIC) erabiltzen da. Horretarako, panel konposatuaren kanpoko kristala gainean inprimatutako xafla elastiko mehe batekin estaltzen da (7. irudia, eskuineko behean). DIC-k bi kamera erabiltzen ditu kristalezko azalera osoan neurketa-puntu guztien posizio erlatiboa grabatzeko. Segundoko bi irudi grabatu eta ebaluaziorako erabili ziren. Ganberako presioa, panel konposatuez inguratuta, haizagailu baten bidez handitzen da 1000 Pa-ko gehikuntzan, 4000 Pa-ko gehienezko balioraino, karga-maila bakoitza 10 segundoz mantendu dadin.
Esperimentuaren ezarpen fisikoa ere dimentsio geometriko berdinak dituen zenbakizko eredu baten bidez adierazten da. Horretarako, Ansys Mechanical zenbakizko programa erabiltzen da. Nukleoaren egitura sare geometrikoa izan zen, beirarako 20 mm-ko alboak dituzten SOLID 185 elementu hexagonalak eta 3 mm-ko alboetako SOLID 187 elementu tetraedrikoak erabiliz. Modelizazioa errazteko, azterketaren fase honetan, hemen erabiltzen den akrilatoa zurruna eta mehea dela suposatzen da, eta beiraren eta nukleoaren materialaren arteko lotura zurrun gisa definitzen da.
Panel konposatuak nukleotik kanpo lerro zuzen batean finkatzen dira, eta beirazko panelak 4000 Pa-ko gainazaleko presio-karga jasaten du. Modelatzean ez-linealtasun geometrikoak kontuan hartu baziren ere, material linealaren ereduak soilik erabili ziren fase honetan. aztertzea. Hau beiraren erantzun elastiko linealerako (E = 70.000 MPa) baliozko suposizioa bada ere, nukleo polimerikoaren (biskoelastikoa) materialaren fabrikatzailearen datu-orriaren arabera [17], E = 8245 MPa zurruntasun lineala erabili zen. egungo analisia zorrotz kontuan hartu behar da eta etorkizuneko ikerketetan aztertuko da.
Hemen aurkezten diren emaitzak 4000 Pa (=ˆ4kN/m2) arteko haize-karga gehienezko deformazioetarako ebaluatzen dira batez ere. Horretarako, DIC metodoaren bidez grabatutako irudiak zenbakizko simulazioaren (FEM) emaitzekin alderatu dira (8. irudia, beheko eskuinaldean). Ertz eskualdean (hau da, panelaren perimetroa) euskarri lineal "idealak" dituen 0 mm-ko tentsio total ideala FEMn kalkulatzen den bitartean, DIC ebaluatzerakoan ertz-eskualdearen desplazamendu fisikoa kontuan hartu behar da. Instalazio-perdoiengatik eta probako markoaren eta bere zigiluen deformazioaren ondorioz gertatzen da. Konparaziorako, ertzaren eskualdeko batez besteko desplazamendua (8. irudiko marra zuri etenarekin) kendu egin zen panelaren erdiko desplazamendu maximotik. DIC eta FEA-k zehaztutako desplazamenduak 1. taulan alderatzen dira eta grafikoki ageri dira 8. irudiaren goiko ezkerreko ertzean.
Eredu esperimentalaren aplikatutako lau karga-mailak ebaluatzeko kontrol-puntu gisa erabili ziren eta FEM-n ebaluatu ziren. Kargarik gabeko egoeran plaka konposatuaren erdiko desplazamendu maximoa DIC neurketen bidez zehaztu zen 4000 Pa-ko karga-mailan 2,18 mm-tan. FEA desplazamenduek karga baxuagoetan (2000 Pa arte) oraindik ere balio esperimentalak zehaztasunez erreproduzi ditzakete, karga handiagoetan tentsioaren igoera ez-lineala ezin da zehaztasunez kalkulatu.
Hala ere, ikerketek frogatu dute panel konposatuek muturreko haize-karga jasan dezaketela. Panel arinen zurruntasun handia nabarmentzen da bereziki. Kirchhoff plaken teoria linealean oinarritutako kalkulu analitikoak erabiliz [20], 4000 Pa-tan 2,18 mm-ko deformazioari dagokio 12 mm-ko lodierako beirazko plaka bakar baten deformazioari muga-baldintza berdinetan. Ondorioz, beiraren lodiera (ekoizpenean energia intentsiboa dena) panel konposatu honetan 2 x 3 mm-ko beirara murriztu daiteke, eta, ondorioz, % 50eko materiala aurreztuko da. Panelaren pisu orokorra murrizteak onura gehigarriak eskaintzen ditu muntaiari dagokionez. 30 kg-ko panel konposatu bat bi pertsonek erraz maneiatu dezaketen arren, 50 kg-ko beirazko panel tradizionalak laguntza teknikoa behar du segurtasunez mugitzeko. Portaera mekanikoa zehaztasunez irudikatzeko, etorkizuneko ikerketetan zenbakizko eredu zehatzagoak beharko dira. Elementu finituen analisia are gehiago hobetu daiteke polimeroetarako material ez-lineal eredu zabalagoekin eta lotura itsasgarrien modelizazioarekin.
Prozesu digitalen garapenak eta hobekuntzak funtsezko eginkizuna betetzen du eraikuntzaren industrian ekonomia eta ingurumen errendimendua hobetzeko. Gainera, fatxadetan beira mehea erabiltzeak energia eta baliabideak aurreztea agintzen du eta arkitekturari aukera berriak zabaltzen dizkio. Hala ere, beiraren lodiera txikia dela eta, diseinu-soluzio berriak behar dira beira behar bezala sendotzeko. Hori dela eta, artikulu honetan aurkezten den ikerketak beira mehez eta 3D inprimatutako polimerozko nukleoko egitura indartuz egindako panel konposatuen kontzeptua aztertzen du. Diseinutik ekoizpenera arte ekoizpen prozesu osoa digitalizatu eta automatizatu da. Grasshopper-en laguntzaz, fitxategi-fabrikarako lan-fluxu bat garatu zen, etorkizuneko fatxadetan beira konposatu-panel meheak erabiltzeko.
Lehenengo prototipoaren ekoizpenak robotikoaren fabrikazioaren bideragarritasuna eta erronkak frogatu zituen. Fabrikazio gehigarria eta kentzailea dagoeneko ondo integratuta dauden arren, itsasgarrien aplikazio eta muntaketa guztiz automatizatuak etorkizuneko ikerketetan jorratu beharreko erronka gehigarriak aurkezten dituzte. Aurretiazko proba mekanikoen eta lotutako elementu finituen ikerketaren modelizazioaren bidez, frogatu da beira-zuntzezko panel arinek eta meheek tolestura-zurruntasun nahikoa ematen dutela aurreikusitako fatxadako aplikazioetarako, nahiz eta haize-karga muturreko baldintzetan. Egileen etengabeko ikerketek fatxadako aplikazioetarako digitalki fabrikatutako beirazko panel meheen potentziala gehiago aztertuko dute eta haien eraginkortasuna erakutsiko dute.
Egileek eskerrak eman nahi dizkiete ikerketa lan honekin lotutako laguntzaile guztiei. Europar Batasuneko funtsetatik finantzatutako EFRE SAB finantzaketa-programari esker, estrusorearekin eta fresatzeko gailuarekin manipulatzaile bat erosteko diru-baliabideak eskaintzeko diru-laguntza zk. 100537005. Horrez gain, AiF-ZIM Glasfur3D ikerketa-proiektua (ZF4123725WZ9 diru-laguntza zenbakia) finantzatu izana aitortu zitzaion, Glaswerkstätten Glas Ahne-rekin elkarlanean, ikerketa lan honetarako laguntza handia eman baitzuen. Azkenik, Friedrich Siemens Laborategiak eta bere kolaboratzaileek, batez ere Felix Hegewaldek eta Jonathan Holzerr ikasle laguntzaileak, aitortzen dute lan hau egiteko oinarri izan diren fabrikazio eta proba fisikoen laguntza teknikoa eta ezarpena.
Argitalpenaren ordua: 2023-04-2023