디지털 방식으로 제작된 얇은 유리 복합 외관 패널의 프로토타입

얇은 유리를 사용하면 건설 산업에서 다양한 작업을 수행할 수 있습니다. 보다 효율적인 자원 사용으로 인한 환경적 이점 외에도 건축가는 얇은 유리를 사용하여 새로운 수준의 설계 자유도를 얻을 수 있습니다. 샌드위치 이론을 기반으로 유연한 얇은 유리를 3D 프린팅된 개방형 셀 폴리머 코어와 결합하여 매우 견고하고 가벼운 형태를 만들 수 있습니다. 복합 요소. 이 기사는 산업용 로봇을 사용하여 얇은 유리 복합 외관 패널의 디지털 제작에 대한 탐구적인 시도를 제시합니다. CAD(컴퓨터 지원 설계), CAE(엔지니어링), CAM(제조)을 포함하여 공장 간 워크플로를 디지털화하는 개념을 설명합니다. 이 연구는 디지털 분석 도구의 원활한 통합을 가능하게 하는 파라메트릭 설계 프로세스를 보여줍니다.
또한 이 프로세스는 얇은 유리 복합 패널을 디지털 방식으로 제조하는 것의 잠재력과 과제를 보여줍니다. 여기에는 대형 적층 가공, 표면 가공, 접착, 조립 공정 등 산업용 로봇 팔이 수행하는 일부 제조 단계가 설명되어 있습니다. 마지막으로, 표면하중 하에서 복합패널의 기계적 성질에 대한 실험적, 수치적 연구와 평가를 통해 처음으로 복합패널의 기계적 성질에 대한 깊은 이해가 이루어졌습니다. 디지털 설계 및 제작 워크플로의 전반적인 개념과 실험 연구 결과는 형상 정의 및 분석 방법을 더욱 통합하고 향후 연구에서 광범위한 기계 연구를 수행하기 위한 기반을 제공합니다.
디지털 제조 방법을 사용하면 기존 방법을 변형하고 새로운 설계 가능성을 제공하여 생산을 개선할 수 있습니다[1]. 전통적인 건축 방법은 비용, 기본 기하학 및 안전성 측면에서 자재를 과도하게 사용하는 경향이 있습니다. 건설을 공장으로 옮기고 모듈식 사전 제작 및 로봇 공학을 사용하여 새로운 설계 방법을 구현함으로써 안전을 침해하지 않고 자재를 효율적으로 사용할 수 있습니다. 디지털 제조를 통해 우리는 디자인 상상력을 확장하여 더욱 다양하고 효율적이며 야심찬 기하학적 형태를 만들 수 있습니다. 설계 및 계산 프로세스는 대부분 디지털화되었지만 제조 및 조립은 여전히 ​​전통적인 방식으로 수작업으로 이루어집니다. 점점 더 복잡해지는 자유 형식 구조에 대처하기 위해 디지털 제조 프로세스가 점점 더 중요해지고 있습니다. 특히 외관의 경우 자유와 디자인 유연성에 대한 욕구가 꾸준히 증가하고 있습니다. 시각적 효과 외에도 자유형 파사드는 멤브레인 효과를 사용하여 보다 효율적인 구조를 만들 수 있습니다[2]. 또한 디지털 제조 프로세스의 큰 잠재력은 효율성과 설계 최적화 가능성에 있습니다.
이 기사에서는 디지털 기술을 사용하여 적층 가공된 폴리머 코어와 접착된 얇은 유리 외부 패널로 구성된 혁신적인 복합 외관 패널을 설계하고 제조하는 방법을 살펴봅니다. 얇은 유리 사용과 관련된 새로운 건축 가능성 외에도 환경 및 경제적 기준도 건물 외피를 구성하는 데 더 적은 재료를 사용하는 중요한 동기가 되었습니다. 기후 변화, 자원 부족, 미래의 에너지 가격 상승으로 인해 유리는 더욱 현명하게 사용되어야 합니다. 전자업계에서 두께 2mm 이하의 얇은 유리를 사용해 외관을 가볍게 하고 원자재 사용량을 줄인다.
얇은 유리의 높은 유연성으로 인해 건축 응용 분야에 새로운 가능성을 열어주는 동시에 새로운 엔지니어링 과제를 제시합니다[3,4,5,6]. 현재 얇은 유리를 사용하는 외관 프로젝트의 구현은 제한되어 있지만 토목 공학 및 건축 연구에서는 얇은 유리가 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 얇은 유리는 탄성 변형에 대한 높은 능력으로 인해 외관에 사용하려면 강화된 구조 솔루션이 필요합니다[7]. 곡선 형상으로 인한 멤브레인 효과를 활용하는 것 외에도[8], 관성 모멘트는 폴리머 코어와 접착된 얇은 유리 외부 시트로 구성된 다층 구조에 의해 증가될 수도 있습니다. 이 접근 방식은 유리보다 밀도가 낮은 단단하고 투명한 폴리카보네이트 코어를 사용하기 때문에 가능성을 보여주었습니다. 긍정적인 기계적 작용 외에도 추가 안전 기준이 충족되었습니다[9].
다음 연구의 접근 방식은 동일한 개념을 기반으로 하지만 적층 가공된 개방형 기공 반투명 코어를 사용합니다. 이는 건물의 물리적 기능 통합뿐만 아니라 더 높은 수준의 기하학적 자유도와 설계 가능성을 보장합니다[10]. 이러한 복합 패널은 기계적 테스트에서 특히 효과적인 것으로 입증되었으며[11] 유리 사용량을 최대 80%까지 줄일 수 있습니다. 이는 필요한 자원을 줄일 뿐만 아니라 패널의 무게를 크게 줄여 하부 구조의 효율성을 높입니다. 그러나 새로운 형태의 건설에는 새로운 생산 형태가 필요합니다. 효율적인 구조에는 효율적인 제조 프로세스가 필요합니다. 디지털 디자인은 디지털 제조에 기여합니다. 이 기사는 산업용 로봇용 얇은 유리 복합 패널의 디지털 제조 공정에 대한 연구를 제시함으로써 저자의 이전 연구를 이어갑니다. 제조 프로세스의 자동화를 높이기 위해 최초의 대형 프로토타입의 파일에서 공장까지의 워크플로우를 디지털화하는 데 중점을 두고 있습니다.
복합 패널(그림 1)은 AM 폴리머 코어를 감싸는 두 개의 얇은 유리 오버레이로 구성됩니다. 두 부분은 접착제로 연결됩니다. 이 설계의 목적은 하중을 전체 단면에 최대한 효율적으로 분산시키는 것입니다. 굽힘 모멘트는 쉘에 수직 응력을 생성합니다. 측면 힘은 코어와 접착 조인트에 전단 응력을 발생시킵니다.
샌드위치 구조의 외부층은 얇은 유리로 만들어졌습니다. 원칙적으로 소다석회규산염유리를 사용한다. 목표 두께가 2mm 미만인 경우 열 템퍼링 공정은 현재 기술 한계에 도달합니다. 화학적으로 강화된 알루미노실리케이트 유리는 설계(예: 냉간 접힌 패널) 또는 사용으로 인해 더 높은 강도가 필요한 경우 특히 적합한 것으로 간주될 수 있습니다[12]. 광 투과 및 환경 보호 기능은 복합재에 사용되는 다른 재료에 비해 우수한 긁힘 방지 및 상대적으로 높은 영률과 같은 우수한 기계적 특성으로 보완됩니다. 화학적으로 강화된 얇은 유리의 크기가 제한되어 있기 때문에 완전히 강화된 3mm 두께의 소다석회 유리 패널을 사용하여 최초의 대규모 프로토타입을 제작했습니다.
지지 구조는 복합 패널의 형상 부분으로 간주됩니다. 거의 모든 속성이 영향을 받습니다. 적층제조 방식 덕분에 디지털 제조 공정의 중심이기도 하다. 열가소성 플라스틱은 융합을 통해 가공됩니다. 이를 통해 특정 용도에 다양한 폴리머를 사용할 수 있습니다. 주요 요소의 토폴로지는 기능에 따라 서로 다른 강조점을 가지고 설계될 수 있습니다. 이를 위해 형태디자인은 구조적 디자인, 기능적 디자인, 심미적 디자인, 생산디자인의 네 가지 디자인 범주로 나눌 수 있다. 각 범주는 서로 다른 목적을 가질 수 있으며 이로 인해 서로 다른 토폴로지가 발생할 수 있습니다.
예비 연구 동안 주요 설계 중 일부는 설계 적합성에 대해 테스트되었습니다[11]. 기계적 관점에서 볼 때 자이로스코프의 3주기 최소 코어 표면은 특히 효과적입니다. 이는 상대적으로 낮은 재료 소비로 굽힘에 대한 높은 기계적 저항을 제공합니다. 표면 영역에 재현된 세포 기본 구조 외에도 토폴로지는 다른 형상 찾기 기술을 통해 생성될 수도 있습니다. 응력선 생성은 가능한 가장 낮은 무게에서 강성을 최적화할 수 있는 방법 중 하나입니다[13]. 그러나 샌드위치 구조에 널리 사용되는 허니컴 구조는 생산 라인 개발의 출발점으로 사용되었습니다. 이 기본 형태는 특히 손쉬운 도구 경로 프로그래밍을 통해 생산이 빠르게 진행되도록 합니다. 복합 패널의 거동은 광범위하게 연구되었으며 [14, 15, 16] 외관은 매개변수화를 통해 다양한 방식으로 변경될 수 있으며 초기 최적화 개념에도 사용될 수 있습니다.
사용되는 압출 공정에 따라 폴리머를 선택할 때 고려해야 할 열가소성 폴리머가 많이 있습니다. 소규모 재료에 대한 초기 예비 연구에서는 외관에 사용하기에 적합한 것으로 간주되는 폴리머의 수가 감소했습니다[11]. 폴리카보네이트(PC)는 내열성, UV 저항성 및 높은 강성으로 인해 유망합니다. 폴리카보네이트를 가공하는 데 필요한 추가 기술 및 재정적 투자로 인해 에틸렌 글리콜 변형 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PETG)가 첫 번째 프로토타입을 생산하는 데 사용되었습니다. 특히 열 응력 및 부품 변형 위험이 낮아 상대적으로 낮은 온도에서 가공이 쉽습니다. 여기에 표시된 프로토타입은 PIPG라고 불리는 재활용 PETG로 만들어졌습니다. 재료는 최소 4시간 동안 60°C에서 예비 건조되었으며 유리 섬유 함량이 20%인 과립으로 가공되었습니다[17].
접착제는 폴리머 코어 구조와 얇은 유리 뚜껑 사이에 강력한 결합을 제공합니다. 복합 패널이 굽힘 하중을 받을 때 접착 조인트는 전단 응력을 받습니다. 따라서 더 단단한 접착제가 선호되며 휘어짐을 줄일 수 있습니다. 투명 접착제는 투명 유리에 접착할 때 높은 시각적 품질을 제공하는 데에도 도움이 됩니다. 접착제를 선택할 때 또 다른 중요한 요소는 제조 가능성과 자동화된 생산 공정에의 통합입니다. 여기서 유연한 경화 시간을 제공하는 UV 경화 접착제는 커버 레이어의 위치 지정을 크게 단순화할 수 있습니다. 예비 테스트를 기반으로 일련의 접착제가 얇은 유리 복합 패널에 대한 적합성에 대해 테스트되었습니다[18]. Loctite® AA 3345™ UV 경화성 아크릴레이트[19]는 다음 공정에 특히 적합한 것으로 입증되었습니다.
적층 가공의 가능성과 얇은 유리의 유연성을 활용하기 위해 전체 공정은 디지털 및 파라메트릭 방식으로 작동하도록 설계되었습니다. Grasshopper는 서로 다른 프로그램 간의 인터페이스를 피하면서 시각적 프로그래밍 인터페이스로 사용됩니다. 모든 분야(엔지니어링, 엔지니어링 및 제조)는 운영자의 직접적인 피드백을 통해 하나의 파일에서 서로를 지원하고 보완합니다. 연구의 이 단계에서 워크플로는 아직 개발 중이며 그림 2에 표시된 패턴을 따릅니다. 다양한 목표를 분야 내 범주로 그룹화할 수 있습니다.
본 논문의 샌드위치 패널 생산은 사용자 중심 설계 및 제작 준비를 통해 자동화되었지만 개별 엔지니어링 도구의 통합 및 검증은 완전히 실현되지 않았습니다. 파사드 기하학의 파라메트릭 디자인을 기반으로 매크로 레벨(파사드)과 메조(파사드 패널)에서 건물의 외부 쉘을 디자인하는 것이 가능합니다. 두 번째 단계에서 엔지니어링 피드백 루프는 커튼월 제작의 실행 가능성뿐만 아니라 안전성과 적합성을 평가하는 것을 목표로 합니다. 마지막으로 결과 패널은 디지털 제작 준비가 완료되었습니다. 이 프로그램은 개발된 핵심 구조를 기계 판독 가능한 G 코드로 처리하고 적층 제조, 절삭 후처리 및 유리 결합을 위해 준비합니다.
디자인 프로세스는 두 가지 다른 수준에서 고려됩니다. 정면의 거시적 형태가 각 복합 패널의 기하학적 형태에 영향을 미친다는 사실 외에도 코어 자체의 토폴로지도 메조 레벨에서 설계할 수 있습니다. 파라메트릭 외관 모델을 사용하는 경우 그림 3에 표시된 슬라이더를 사용하여 외관 단면의 예에 따라 모양과 모양이 영향을 받을 수 있습니다. 따라서 전체 표면은 포인트 어트랙터를 사용하여 변형하고 다음과 같이 수정할 수 있는 사용자 정의 확장 가능한 표면으로 구성됩니다. 변형의 최소 및 최대 정도를 지정합니다. 이는 건물 외피 설계에 높은 수준의 유연성을 제공합니다. 그러나 이러한 자유도는 기술 및 제조상의 제약으로 인해 제한되며, 이는 엔지니어링 부분의 알고리즘에 의해 반영됩니다.
전체 파사드의 높이와 너비 외에도 파사드 패널의 분할이 결정됩니다. 개별 파사드 패널의 경우 메조 레벨에서 보다 정확하게 정의할 수 있습니다. 이는 코어 구조 자체의 토폴로지와 유리 두께에 영향을 미칩니다. 패널의 크기뿐만 아니라 이 두 가지 변수는 기계 공학 모델링과 중요한 관계를 갖습니다. 전체 매크로 및 메조 레벨의 디자인 및 개발은 구조, 기능, 심미성 및 제품 디자인의 네 가지 범주에서 최적화 측면에서 수행될 수 있습니다. 사용자는 이러한 영역의 우선순위를 지정하여 건물 외피의 전체적인 모양과 느낌을 개발할 수 있습니다.
프로젝트는 피드백 루프를 사용하여 엔지니어링 부분에서 지원됩니다. 이를 위해 그림 2의 최적화 범주에서 목표와 경계 조건을 정의합니다. 이는 기술적으로 실현 가능하고 물리적으로 건전하며 엔지니어링 관점에서 구축하기에 안전한 복도를 제공하며 이는 설계에 큰 영향을 미칩니다. 이것은 Grasshopper에 직접 통합될 수 있는 다양한 도구의 출발점입니다. 추가 조사에서는 유한 요소 분석(FEM) 또는 분석 계산을 사용하여 기계적 특성을 평가할 수 있습니다.
또한 태양 복사 연구, 가시선 분석 및 일조 기간 모델링을 통해 복합 패널이 건물 물리학에 미치는 영향을 평가할 수 있습니다. 설계 프로세스의 속도, 효율성 및 유연성을 과도하게 제한하지 않는 것이 중요합니다. 따라서 여기에서 얻은 결과는 설계 프로세스에 대한 추가 지침과 지원을 제공하기 위해 고안되었으며 설계 프로세스가 끝날 때의 세부 분석 및 타당성을 대체할 수 없습니다. 이 전략 계획은 입증된 결과를 위한 추가 범주별 연구의 기반을 마련합니다. 예를 들어, 다양한 하중 및 지지 조건에서 복합 패널의 기계적 거동에 대해서는 아직 알려진 바가 거의 없습니다.
설계와 엔지니어링이 완료되면 모델을 디지털 제작할 준비가 된 것입니다. 제조 공정은 4개의 하위 단계로 구분됩니다(그림 4). 먼저, 대규모 로봇 3D 프린팅 시설을 이용해 주요 구조를 적층 가공했다. 그런 다음 동일한 로봇 시스템을 사용하여 표면을 밀링하여 우수한 접착에 필요한 표면 품질을 향상시킵니다. 밀링 후 접착제는 인쇄 및 밀링 공정에 사용되는 동일한 로봇 시스템에 장착된 특별히 설계된 투여 시스템을 사용하여 코어 구조를 따라 도포됩니다. 마지막으로, 접착된 접합부의 UV 경화 전에 유리를 설치하고 놓습니다.
적층 제조의 경우 기본 구조의 정의된 토폴로지를 CNC 기계 언어(GCode)로 변환해야 합니다. 균일하고 높은 품질의 결과를 얻으려면 압출기 노즐이 떨어지지 않고 각 레이어를 인쇄하는 것이 목표입니다. 이는 움직임의 시작과 끝에서 원치 않는 과압을 방지합니다. 따라서 사용되는 셀 패턴에 대해 연속 궤적 생성 스크립트가 작성되었습니다. 이렇게 하면 동일한 시작점과 끝점을 가진 파라메트릭 연속 폴리라인이 생성되며, 이는 디자인에 따라 선택한 패널 크기, 벌집 수 및 크기에 맞게 조정됩니다. 또한 선을 배치하기 전에 선 너비 및 선 높이와 같은 매개변수를 지정하여 주 구조물의 원하는 높이를 얻을 수 있습니다. 스크립트의 다음 단계는 G 코드 명령을 작성하는 것입니다.
이는 위치 지정 및 압출 볼륨 제어를 위한 기타 관련 축과 같은 추가 기계 정보와 함께 라인의 각 지점 좌표를 기록함으로써 수행됩니다. 그 결과 생성된 G 코드는 생산 기계로 전송될 수 있습니다. 이 예에서는 선형 레일에 있는 Comau NJ165 산업용 로봇 암을 사용하여 G 코드에 따라 CEAD E25 압출기를 제어합니다(그림 5). 첫 번째 프로토타입은 유리섬유 함량이 20%인 산업화 이후의 PETG를 사용했습니다. 기계적 테스트 측면에서 대상 크기는 건설 산업의 크기에 가깝기 때문에 주요 요소의 크기는 6 x 4 허니컴 셀을 갖춘 1983 x 876 mm입니다. 높이 6mm와 2mm.
예비 테스트 결과 표면 특성에 따라 접착제와 3D 프린팅 레진의 접착력에 차이가 있는 것으로 나타났습니다. 이를 위해 적층 가공 테스트 표본을 유리에 접착하거나 적층하고 장력이나 전단력을 가합니다. 밀링을 통해 폴리머 표면을 예비 기계 가공하는 동안 강도가 크게 증가했습니다(그림 6). 또한, 코어의 평탄도를 향상시키고, 과압출로 인한 불량을 방지합니다. 여기에 사용된 UV 경화성 LOCTITE® AA 3345™ [19] 아크릴레이트는 가공 조건에 민감합니다.
이로 인해 결합 테스트 샘플의 표준 편차가 높아지는 경우가 많습니다. 적층 가공 후 코어 구조를 프로파일 밀링 머신에서 밀링했습니다. 이 작업에 필요한 G 코드는 3D 프린팅 프로세스를 위해 이미 생성된 도구 경로에서 자동으로 생성됩니다. 코어 구조는 의도한 코어 높이보다 약간 높게 인쇄되어야 합니다. 이 예에서는 18mm 두께의 코어 구조가 14mm로 축소되었습니다.
제조 공정의 이 부분은 완전 자동화의 주요 과제입니다. 접착제를 사용하면 기계의 정확성과 정밀성이 요구됩니다. 공압 투여 시스템은 코어 구조를 따라 접착제를 도포하는 데 사용됩니다. 정의된 공구 경로에 따라 밀링 표면을 따라 로봇에 의해 안내됩니다. 기존의 디스펜싱 팁을 브러시로 교체하는 것이 특히 유리한 것으로 나타났습니다. 이를 통해 저점도 접착제를 부피별로 균일하게 도포할 수 있습니다. 이 양은 시스템의 압력과 로봇의 속도에 따라 결정됩니다. 더 높은 정밀도와 높은 접착 품질을 위해서는 200~800mm/min의 낮은 이동 속도가 선호됩니다.
평균 점도가 1500mPa*s인 아크릴레이트를 0.3~0.6mbar의 적용 압력에서 내부 직경이 0.84mm이고 브러시 폭이 5인 투여 브러시를 사용하여 6mm 폭의 폴리머 코어 벽에 적용했습니다. mm. 그런 다음 접착제는 기판 표면 전체에 도포되고 표면 장력으로 인해 1mm 두께의 층을 형성합니다. 접착제 두께의 정확한 측정은 아직 자동화될 수 없습니다. 공정 기간은 접착제 선택의 중요한 기준입니다. 여기서 생산된 코어 구조는 트랙 길이가 26m이므로 적용 시간은 30~60분입니다.
접착제를 도포한 후 이중창을 제자리에 설치합니다. 얇은 유리는 재료의 두께가 얇기 때문에 이미 자체 무게로 인해 강하게 변형되므로 최대한 균일하게 배치해야 합니다. 이를 위해 시간 분산형 흡입 컵이 있는 공압 유리 흡입 컵이 사용됩니다. 크레인을 사용하여 부품 위에 배치하고, 향후에는 로봇을 사용하여 직접 배치할 수도 있습니다. 유리판은 접착층의 코어 표면과 평행하게 배치되었습니다. 무게가 가벼우므로 유리판(두께 4~6mm)을 추가하면 유리판에 가해지는 압력이 증가합니다.
결과적으로 코어 구조를 따라 유리 표면이 완전히 젖어야 하며, 이는 눈에 보이는 색상 차이를 초기 육안 검사로 판단할 수 있습니다. 적용 과정은 최종 접착 조인트의 품질에도 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 일단 접착되면 유리 패널을 움직여서는 안 됩니다. 그렇게 하면 유리에 눈에 보이는 접착제 잔여물이 생기고 실제 접착제 층에 결함이 생길 수 있습니다. 마지막으로, 접착제는 365 nm 파장의 UV 방사선으로 경화됩니다. 이를 위해 전력 밀도가 6mW/cm2인 UV 램프를 60초 동안 접착 표면 전체에 점진적으로 통과시킵니다.
여기서 논의된 적층 가공된 폴리머 코어를 갖춘 경량 및 맞춤형 얇은 유리 복합 패널의 개념은 미래의 외관에 사용하기 위한 것입니다. 따라서 복합 샌드위치패널(판넬)은 해당 표준을 준수하고 SLS(사용 한계 상태), ULS(극한 강도 한계 상태) ​​및 안전 요구 사항에 대한 요구 사항을 충족해야 합니다. 따라서 복합패널은 파손이나 과도한 변형 없이 하중(예: 표면 하중)을 견딜 수 있을 만큼 안전하고 강하며 견고해야 합니다. 이전에 제작된 얇은 유리 복합 패널(기계 테스트 섹션에 설명된 대로)의 기계적 반응을 조사하기 위해 다음 하위 섹션에 설명된 대로 풍하중 테스트를 거쳤습니다.
물리적 시험의 목적은 풍하중을 받는 외벽 복합패널의 기계적 특성을 연구하는 것입니다. 이를 위해 3mm 두께의 완전 강화 유리 외부 시트와 14mm 두께의 적층 가공 코어(PIPG-GF20)로 구성된 복합 패널을 Henkel Loctite AA 3345 접착제를 사용하여 위에서 설명한 대로 제작했습니다(그림 7 왼쪽). )). . 그런 다음 복합 패널은 목재 프레임을 통해 주요 구조의 측면으로 구동되는 금속 나사를 사용하여 목재 지지 프레임에 부착됩니다. 30개의 나사를 패널 주변에 배치하여(그림 7 왼쪽의 검은색 선 참조) 주변 주변의 선형 지지 조건을 최대한 가깝게 재현했습니다.
그런 다음 복합 패널 뒤에 풍압 또는 풍 흡입을 적용하여 테스트 프레임을 외부 테스트 벽에 밀봉했습니다(그림 7, 오른쪽 상단). 데이터를 기록하기 위해 디지털 상관 시스템(DIC)이 사용됩니다. 이를 위해 복합 패널의 외부 유리는 진주색 노이즈 패턴이 인쇄된 얇은 탄성 시트로 덮여 있습니다(그림 7, 오른쪽 하단). DIC는 두 대의 카메라를 사용하여 전체 유리 표면의 모든 측정 지점의 상대적 위치를 기록합니다. 초당 2개의 이미지를 기록하여 평가에 사용했습니다. 복합 패널로 둘러싸인 챔버의 압력은 팬을 통해 1000Pa씩 증가하여 최대 4000Pa까지 증가하여 각 부하 수준이 10초 동안 유지됩니다.
실험의 물리적 설정은 동일한 기하학적 치수를 가진 수치 모델로도 표현됩니다. 이를 위해 Ansys Mechanical 수치 프로그램이 사용됩니다. 핵심 구조는 유리용 측면이 20mm인 SOLID 185 육각형 요소와 측면이 3mm인 SOLID 187 사면체 요소를 사용하는 기하학적 메시였습니다. 모델링을 단순화하기 위해 연구의 이 단계에서는 사용된 아크릴레이트가 이상적으로 단단하고 얇으며 유리와 코어 재료 사이의 견고한 결합으로 정의된다고 가정합니다.
복합 패널은 코어 외부에 직선으로 고정되고, 유리 패널은 4000 Pa의 표면 압력 하중을 받습니다. 모델링에서는 기하학적 비선형성을 고려했지만 이 단계에서는 선형 재료 모델만 사용되었습니다. 공부하다. 이는 유리의 선형 탄성 응답(E = 70,000 MPa)에 대한 유효한 가정이지만 (점탄성) 고분자 코어 재료 제조업체의 데이터 시트[17]에 따르면 선형 강성 E = 8245 MPa가 다음에서 사용되었습니다. 현재 분석은 엄격하게 고려되어야 하며 향후 연구에서 연구될 것입니다.
여기에 제시된 결과는 최대 4000 Pa(=ˆ4kN/m2)의 최대 풍하중에서의 변형에 대해 주로 평가됩니다. 이를 위해 DIC 방법으로 기록한 영상을 수치 시뮬레이션(FEM) 결과와 비교하였다(그림 8, 오른쪽 하단). 가장자리 영역(즉, 패널 둘레)에 "이상적인" 선형 지지대가 있는 0mm의 이상적인 총 변형률이 FEM에서 계산되는 반면, DIC를 평가할 때 가장자리 영역의 물리적 변위를 고려해야 합니다. 이는 테스트 프레임과 씰의 설치 공차와 변형으로 인해 발생합니다. 비교를 위해 패널 중앙의 최대 변위에서 가장자리 영역의 평균 변위(그림 8의 흰색 점선)를 뺍니다. DIC와 FEA에 의해 결정된 변위는 표 1에서 비교되며 그림 8의 왼쪽 상단에 그래픽으로 표시됩니다.
실험 모델의 4가지 적용된 하중 수준은 평가를 위한 제어점으로 사용되었으며 FEM에서 평가되었습니다. 무부하 상태에서 복합재 판의 최대 중심 변위는 2.18mm에서 4000Pa의 하중 수준에서 DIC 측정에 의해 결정되었습니다. 낮은 하중(최대 2000Pa)에서의 FEA 변위는 여전히 실험값을 정확하게 재현할 수 있지만, 더 높은 하중에서 변형률의 비선형 증가는 정확하게 계산할 수 없습니다.
그러나 연구에 따르면 복합 패널은 극심한 풍하중을 견딜 수 있는 것으로 나타났습니다. 특히 경량 패널의 높은 강성이 돋보입니다. Kirchhoff 판의 선형 이론에 기초한 분석 계산을 사용하여[20], 4000 Pa에서 2.18 mm의 변형은 동일한 경계 조건에서 두께가 12 mm인 단일 유리 판의 변형에 해당합니다. 결과적으로 이 복합 패널의 유리 두께(생산 시 에너지 집약적)를 2 x 3mm 유리로 줄여 재료를 50% 절약할 수 있습니다. 패널의 전체 무게를 줄이면 조립 측면에서 추가적인 이점을 얻을 수 있습니다. 30kg 복합 패널은 두 사람이 쉽게 다룰 수 있는 반면, 기존의 50kg 유리 패널은 안전하게 이동하려면 기술 지원이 필요합니다. 기계적 거동을 정확하게 표현하기 위해서는 향후 연구에서 보다 상세한 수치 모델이 필요할 것입니다. 폴리머 및 접착 결합 모델링을 위한 보다 광범위한 비선형 재료 모델을 사용하면 유한 요소 분석이 더욱 향상될 수 있습니다.
디지털 프로세스의 개발과 개선은 건설 산업의 경제적, 환경적 성과를 향상시키는 데 핵심적인 역할을 합니다. 또한, 파사드에 얇은 유리를 사용하면 에너지와 자원 절약을 약속하고 건축에 새로운 가능성을 열어줍니다. 그러나 유리의 두께가 얇기 때문에 유리를 적절하게 강화하려면 새로운 설계 솔루션이 필요합니다. 따라서 이 기사에 제시된 연구에서는 얇은 유리와 접착 강화 3D 프린팅 폴리머 코어 구조로 만든 복합 패널의 개념을 탐구합니다. 설계부터 생산까지 전 과정이 디지털화, 자동화됐다. Grasshopper의 도움으로 미래의 외관에 얇은 유리 복합 패널을 사용할 수 있는 파일-공장 워크플로우가 개발되었습니다.
첫 번째 프로토타입의 생산은 로봇 제조의 타당성과 과제를 보여주었습니다. 적층 가공과 절삭 가공이 이미 잘 통합되어 있지만, 특히 완전 자동화된 접착제 도포 및 조립은 향후 연구에서 해결해야 할 추가적인 과제를 제시합니다. 예비 기계 테스트 및 관련 유한 요소 연구 모델링을 통해 가볍고 얇은 유리 섬유 패널이 극한의 풍하중 조건에서도 의도한 외관 적용에 충분한 굽힘 강성을 제공하는 것으로 나타났습니다. 저자의 지속적인 연구에서는 외관 적용을 위한 디지털 방식으로 제작된 얇은 유리 복합 패널의 잠재력을 더욱 탐구하고 그 효과를 입증할 것입니다.
저자는 이 연구 작업과 관련된 모든 후원자에게 감사를 표하고 싶습니다. 압출기 및 밀링 장치가 포함된 조작기 구입을 위한 재정 자원을 제공하기 위해 유럽 연합 기금에서 보조금 번호 형식으로 자금을 지원받은 EFRE SAB 자금 지원 프로그램 덕분입니다. 100537005. 또한 AiF-ZIM은 Glaswerkstätten Glas Ahne과 협력하여 Glasfur3D 연구 프로젝트(지원 번호 ZF4123725WZ9)에 자금을 지원한 것으로 인정받았으며, 이는 이 연구 작업에 상당한 지원을 제공했습니다. 마지막으로, Friedrich Siemens Laboratory와 협력자, 특히 Felix Hegewald와 학생 조교 Jonathan Holzerr는 이 논문의 기초를 형성한 제작 및 물리적 테스트의 기술 지원 및 구현을 인정합니다.