Creación de prototipos de paneles de fachada compuestos de vidrio fino fabricados digitalmente

Aug 20, 2023

Fecha: 23 de junio de 2023

Autores: Daniel Pfarr y Christian Louter

Fuente:Arquitectura, Estructuras y Construcción, Springer

DOI:https://doi.org/10.1007/s44150-022-00080-7

El uso de vidrio delgado promete permitir una variedad de actividades en la industria de la construcción. Además de los beneficios ecológicos de un uso más eficiente de los recursos, los arquitectos pueden anticipar nuevas libertades de diseño con vidrio fino. Basado en la teoría del sándwich, el vidrio delgado y flexible se puede combinar con un núcleo de polímero de celda abierta impreso en 3D para formar un elemento compuesto muy rígido pero liviano. Este artículo presenta un intento exploratorio sobre la fabricación digital de paneles delgados de fachada compuestos de vidrio con un robot industrial. Explica la idea de un flujo de trabajo digital "de ida y vuelta a la fábrica" ​​que incluye diseño asistido por computadora (CAD), ingeniería (CAE) y fabricación (CAM). La investigación muestra un proceso de diseño paramétrico para permitir la integración perfecta de herramientas de análisis digital.

Además, este proceso muestra los potenciales y desafíos de la fabricación digital de un panel compuesto de vidrio delgado. Aquí se explican los pasos parciales de producción ejecutados por un brazo robótico industrial, como la fabricación aditiva de gran formato, la preparación mecánica de la superficie, el proceso de unión y ensamblaje. Finalmente, se investiga y evalúa experimental y numéricamente una primera visión de las propiedades mecánicas del panel compuesto bajo carga superficial. El concepto general del flujo de trabajo de diseño y fabricación digital, así como los resultados del estudio experimental, proporcionan la base para la integración de métodos de análisis y búsqueda de formas adicionales, así como la implementación de investigaciones mecánicas extensas en futuras investigaciones.

Los métodos de fabricación digital nos permiten mejorar nuestra producción transformando los enfoques tradicionales y brindando nuevas posibilidades de diseño [1]. Los métodos de construcción tradicionales tienden a abusar de los materiales en términos de coste, geometrías básicas y seguridad. Al trasladar la construcción a las fábricas, utilizando la prefabricación modular y la robótica para permitir nuevos enfoques de diseño, los materiales se pueden utilizar de manera eficiente sin comprometer la seguridad. La fabricación digital nos permite ampliar nuestra imaginación de diseño, dando lugar a geometrías más variadas, eficientes y ambiciosas. Si bien los procesos de diseño y cálculo se han digitalizado en gran medida, la producción y el montaje todavía se ejecutan en su mayoría de manera tradicional utilizando mano de obra. Para hacer frente a la creciente complejidad de las estructuras de forma libre, los procesos de fabricación digitales son cada vez más importantes. Especialmente en las fachadas, la búsqueda de libertad y flexibilidad en el diseño crece constantemente. Además del efecto visual de las fachadas de forma libre, también pueden crear estructuras más eficientes, por ejemplo mediante el uso de un efecto de membrana [2]. Además, un gran potencial de los procesos de fabricación digital reside en su eficiencia y posibilidades de diseño optimizado.

El presente artículo explora cómo se pueden utilizar las técnicas digitales en el diseño y fabricación de un innovador panel de fachada compuesto que consta de un núcleo de polímero fabricado aditivamente y finas láminas exteriores de vidrio unidas con adhesivo. Además de las nuevas posibilidades arquitectónicas derivadas del uso de vidrio fino, los criterios ecológicos y económicos son una motivación importante para construir envolventes de edificios con menos material. Paralelamente al cambio climático, la escasez de recursos y el aumento de los precios de la energía, en el futuro el vidrio deberá utilizarse de forma más inteligente. El uso de vidrio fino, procedente de la industria electrónica, con un espesor inferior a 2 mm, promete fachadas ligeras con un uso reducido de materias primas.

Debido a la alta flexibilidad del vidrio delgado, abre nuevas posibilidades para aplicaciones arquitectónicas e igualmente conduce a nuevos desafíos de ingeniería [3,4,5,6]. Si bien actualmente la realización de proyectos de fachadas con vidrio fino es limitada, el vidrio fino se está incorporando cada vez más a la investigación en ingeniería civil y arquitectura. Debido a la alta capacidad de deformación elástica del vidrio fino, su uso en fachadas requiere soluciones estructurales para su rigidización [7]. Además de aprovechar el efecto membrana mediante una geometría curvada [8], el momento de inercia se puede aumentar mediante una estructura tipo sándwich formada por un núcleo de polímero con finas láminas exteriores de vidrio unidas con adhesivo. Ya se ha demostrado que este enfoque es un diseño prometedor al utilizar un núcleo sólido de policarbonato transparente con una densidad menor que el vidrio. Además de los efectos mecánicos positivos, ya se han cumplido otros criterios de seguridad [9].

El enfoque de la siguiente investigación se basa en el mismo concepto, pero utiliza un núcleo de celda abierta semitransparente fabricado aditivamente. Esto promete un mayor grado de libertad geométrica y posibilidades de diseño, así como la integración de funciones físicas de la construcción [10]. Este panel compuesto demostró ser particularmente eficiente en las pruebas mecánicas [11] y promete una reducción potencial de hasta el 80% del vidrio utilizado. Esto no sólo conduce a una menor necesidad de recursos, sino también a paneles significativamente más ligeros y, por tanto, a subestructuras más eficientes. Pero las nuevas formas de construcción requieren nuevas formas de producción. Las estructuras eficientes requieren procesos de fabricación eficientes. Y el diseño digital favorece la fabricación digital. Partiendo de estudios previos de los autores, este artículo presenta la investigación sobre el proceso de fabricación digital de paneles compuestos de vidrio fino con un robot industrial. Se centra en un flujo de trabajo digital "de archivo a fábrica" ​​de un primer prototipo de gran formato para aumentar la automatización en el proceso de fabricación.

El panel compuesto (Fig. 1) consta de dos capas de cubierta de vidrio delgado que encierran un núcleo de polímero fabricado aditivamente. Ambos componentes están unidos mediante un adhesivo. El objetivo de esta construcción es distribuir las cargas de la forma más eficiente posible en toda la sección transversal. Los momentos de flexión generan tensiones normales en las capas de cubierta. Las fuerzas transversales provocan tensiones de corte en el núcleo y en la junta adhesiva.

Capa de cobertura

La capa exterior de la construcción tipo sándwich está hecha de vidrio fino. En principio se utilizará vidrio de silicato sodocálcico. Debido a los espesores previstos de < 2 mm, los procesos de templado térmico alcanzan sus límites técnicos actuales. Si se requieren mayores resistencias debido al diseño (por ejemplo, paneles curvos doblados en frío) o al uso, el vidrio de aluminosilicato reforzado químicamente puede considerarse particularmente adecuado [12]. La función de transmisión de luz y protección contra las influencias ambientales se complementará con propiedades mecánicas favorables, como una buena resistencia al rayado y un módulo de Young relativamente alto en comparación con otros materiales utilizados en el compuesto. Dado que los tamaños disponibles de vidrio fino templado químicamente son limitados, para la construcción del primer prototipo de gran formato se utilizan láminas de vidrio de sílice sodocálcico totalmente templado con un espesor de 3 mm.

Estructura central

La estructura central se considera la parte que da forma al panel compuesto. Casi todas las propiedades pueden verse influenciadas por él. También es el foco del proceso de fabricación digital debido a su método de fabricación aditiva. Los termoplásticos se procesan mediante modelado por deposición fundida. Esto ofrece la posibilidad de utilizar una gran cantidad de polímeros diferentes para aplicaciones específicas. La topología del elemento central se puede desarrollar según su función a través de diferentes enfoques principales. Para ello, la búsqueda de forma se puede dividir en las siguientes cuatro categorías de diseño: diseño estructural, diseño funcional, diseño estético y diseño de fabricación. Cada una de estas categorías puede tener diferentes objetivos, lo que puede dar lugar a diferentes topologías.

En investigaciones preliminares ya se examinó la idoneidad del diseño estructural de algunas estructuras centrales [11]. La superficie mínima de triple período del patrón central Gyroid resultó ser particularmente eficiente desde un punto de vista mecánico. De este modo se pudo conseguir una alta resistencia mecánica a la flexión con un uso de material comparativamente reducido. Además de estas estructuras básicas en forma de células, que están duplicadas en la superficie, la topología también se puede generar mediante otros métodos de búsqueda de formas. La generación de líneas de tensión es un posible enfoque para optimizar la rigidez manteniendo el peso lo más bajo posible [13]. Sin embargo, el patrón de núcleo alveolar, muy utilizado para estructuras tipo sándwich, se utiliza como punto de partida para el desarrollo de la línea de producción. Esta forma básica aporta un rápido progreso en la fabricación, especialmente mediante la programación sencilla de trayectorias de herramientas. Sus propiedades en paneles compuestos se han investigado exhaustivamente [14,15,16] y la apariencia se puede cambiar de diversas formas mediante el uso de parametrización y también se puede utilizar para conceptos de optimización iniciales.

A la hora de seleccionar el polímero, se puede considerar una amplia gama de polímeros termoplásticos con el proceso de extrusión utilizado. Las primeras investigaciones preliminares sobre materiales de pequeño formato ya han reducido el número de polímeros que se consideran adecuados para su uso en una fachada [11]. El policarbonato (PC) es prometedor debido a su estabilidad al calor y a los rayos UV, así como a su alta rigidez. Debido al esfuerzo técnico y monetario adicional que implica el procesamiento de PC, se está utilizando tereftalato de polietileno modificado con glicol (PETG) para la producción de los primeros prototipos. Esto es especialmente sencillo de procesar a temperaturas relativamente bajas y conlleva un menor riesgo de tensiones térmicas y deformaciones en el componente. Los prototipos que aquí se presentan están fabricados a partir de un PETG post-reciclado llamado PIPG. El material se procesa en forma de pellets con un contenido de fibra de vidrio del 20% después de un secado previo a 60 °C durante al menos 4 h [17].

Adhesivo

El adhesivo proporciona una unión permanente entre la estructura del núcleo de polímero y la fina capa de cubierta de vidrio. Cuando el panel compuesto está expuesto a cargas de flexión, la junta adhesiva está bajo tensión de corte. Por lo tanto, los adhesivos más rígidos son ventajosos y se pueden reducir las deflexiones. En combinación con el material transparente vidrio, también son favorables los adhesivos transparentes para garantizar una alta calidad visual. Otro factor importante en la elección del adhesivo es la procesabilidad y la integración en el flujo de producción automatizado. En este caso, los adhesivos de curado UV con tiempos de curado flexibles pueden simplificar significativamente la colocación de las capas de cobertura. Basándose en pruebas preliminares, ya se ha probado la idoneidad de una selección de adhesivos para paneles finos compuestos de vidrio [18]. El acrilato endurecible por UV Loctite® AA 3345™ [19] ha demostrado ser especialmente adecuado y se utiliza en el siguiente proceso.

Para aprovechar las posibilidades de la fabricación aditiva y la flexibilidad del vidrio fino, todo el proceso pretende funcionar de forma digital y paramétrica. Grasshopper se utiliza como interfaz de programación visual para evitar interfaces entre diferentes programas. Todas las disciplinas (diseño, ingeniería y fabricación) se apoyarán y complementarán entre sí en un solo archivo y proporcionarán retroalimentación directa al operador. En este punto de la investigación, el flujo de trabajo aún está en desarrollo y sigue el diagrama que se muestra en la Fig. 2. Se pueden resumir diferentes objetivos dentro de las disciplinas como categorías.

Si bien en este artículo ya se utiliza un diseño orientado al usuario y la automatización de la preparación de fabricación para la producción del panel sándwich, la integración y validación de herramientas de ingeniería individuales aún no se ha implementado completamente. Comenzando con el diseño paramétrico de la geometría de la fachada, la envolvente exterior del edificio se puede diseñar a nivel macro (fachada) y meso (panel de fachada). En el segundo paso, se pretende realizar un circuito de retroalimentación de ingeniería para estimar la seguridad y la capacidad de servicio, así como la viabilidad de la fabricación de la fachada. Finalmente, los paneles resultantes se preparan para la fabricación digital. El programa procesa las estructuras centrales desarrolladas en código G legible por máquina y prepara la fabricación aditiva, el posprocesamiento sustractivo y la unión adhesiva con vidrio.

Diseño (CAD)

El proceso de diseño se considera en dos niveles diferentes. Además de la forma macroscópica de la fachada, que influye en la geometría de cada panel compuesto, la topología central en sí también se puede diseñar a nivel meso. Mediante un modelo de fachada paramétrico se puede influir en la forma y el aspecto con los controles deslizantes que se muestran en la figura 3 utilizando una sección de fachada de ejemplo. De esta manera, la superficie total consta de una superficie escalable y definible por el usuario, que puede ser deformada por un atractor puntual y modificada especificando el grado mínimo y máximo de deformación. Esto garantiza un alto grado de flexibilidad en el diseño de la envolvente del edificio. Sin embargo, esta libertad está restringida por limitaciones técnicas y de fabricación, que se aplican posteriormente mediante algoritmos en la parte de ingeniería.

Además de la altura y el ancho de toda la fachada, también se define la subdivisión de los paneles de fachada. En cuanto a los paneles de fachada individuales, estos se pueden definir con mayor precisión en el nivel meso. Se puede influir en la topología de la propia estructura central, así como en el espesor del vidrio. Ambas variables, junto con las dimensiones del panel, tienen un vínculo importante con la simulación mecánica en el apartado de ingeniería. Todo el diseño e ingeniería a nivel macro y meso se puede realizar con una perspectiva de optimización en las cuatro categorías de diseño estructural, funcional, estético y de fabricación. El usuario puede desarrollar la apariencia general así como el rendimiento de la envolvente del edificio definiendo prioridades en estos campos.

Ingeniería (CAE)

El diseño está respaldado por la parte de ingeniería con la ayuda de un circuito de retroalimentación. Para ello, las condiciones objetivo y de contorno se definen dentro de las categorías de optimización que se muestran en la Fig. 2. Estas proporcionan un corredor de lo que es técnicamente factible, la física de la construcción es razonable y segura desde el punto de vista de la ingeniería, lo que tiene una influencia significativa en el diseño. . Este es el punto de partida para una amplia gama de herramientas que se pueden integrar directamente en Grasshopper. Con más investigaciones, las propiedades mecánicas se pueden estimar mediante análisis de elementos finitos (FEA) o incluso cálculos analíticos.

Además, los estudios de radiación solar, los análisis de la línea de visión y los modelos de horas de luz solar pueden estimar el efecto físico del panel compuesto en la construcción. Es importante no limitar demasiado la velocidad, eficiencia y flexibilidad del proceso de diseño. Por lo tanto, los resultados generados aquí se desarrollan como una orientación y apoyo adicional al proceso de diseño y no reemplazan el análisis detallado y la prueba al final del proceso de diseño. Este diseño estratégico forma la base para futuras investigaciones en las categorías individuales para proporcionar resultados validados. Por ejemplo, hasta ahora se sabe poco sobre el comportamiento mecánico de un panel compuesto bajo diferentes condiciones de carga y soporte.

Fabricación (CAM)

Una vez completados el diseño y la ingeniería, el modelo se prepara para la fabricación digital. El proceso de fabricación se divide en cuatro subetapas (Fig. 4). En primer lugar, la estructura central se fabrica de forma aditiva mediante una configuración de impresión robótica 3D a gran escala. Luego, la superficie se fresa, utilizando el mismo sistema robótico, para mejorar la calidad de la superficie necesaria para una unión adhesiva de alta calidad. Después del fresado, el adhesivo se aplica a lo largo de la estructura central mediante un sistema dispensador especialmente diseñado y montado en el mismo sistema robótico que se utiliza para los procesos de impresión y fresado. Finalmente, el vidrio se coloca y se coloca antes de que la junta adhesiva se seque con luz ultravioleta.

Para la fabricación aditiva, la topología definida de la estructura central debe traducirse al lenguaje de máquina de control numérico (GCode). Para obtener resultados homogéneos y de alta calidad, el objetivo es que cada capa pueda imprimirse sin que se desprenda la boquilla del extrusor. Esto evita una sobreextrusión no deseada en los puntos inicial y final del movimiento de desplazamiento. Por lo tanto, se escribe un script de generación continua de trayectorias para el patrón de panal utilizado. Esto crea una polilínea continua paramétrica con el mismo punto inicial y final que se adapta al tamaño del panel seleccionado, número y tamaño de celdas alveolares según el diseño. Además, se pueden especificar parámetros como el ancho y la altura de la línea antes de apilar la línea según el número de capas para alcanzar la altura deseada de la estructura central. El siguiente paso del script es escribir los comandos del Código G.

Esto se hace escribiendo las coordenadas de cada punto en una línea con información adicional específica de la máquina, como otros ejes relevantes para posicionar y controlar la cantidad de extrusión. El código G generado se puede transferir a la máquina de producción. En este caso, se utiliza un brazo robótico industrial Comau NJ165 sobre carril lineal para manipular la extrusora E25 de CEAD según el código G (Fig. 5). Para los primeros prototipos se utiliza un PETG postindustrial con un contenido de fibra de vidrio del 20%. En cuanto a las pruebas mecánicas, se busca un tamaño cercano al tamaño de la industria de la construcción, por lo que el elemento central se fabrica en el tamaño de 1983 × 876 mm con 6 × 4 celdas alveolares. La boquilla extruye el material a 265° C hasta obtener una línea impresa de 6 mm de ancho y 2 mm de alto sobre una superficie de vidrio precalentada a 80° C.

Fresado del núcleo

Las pruebas preliminares ya han demostrado diferencias en la fuerza de unión adhesiva entre el adhesivo y el polímero impreso en 3D dependiendo de las propiedades de su superficie. Para ello se unieron probetas fabricadas aditivamente mediante un adhesivo o se laminaron sobre vidrio y se cargaron bajo tensión o cizallamiento. Se encontró un aumento significativo en la resistencia cuando la superficie del polímero se pretrató mecánicamente mediante fresado (Fig. 6). Además, mejora la planaridad del núcleo y previene defectos causados ​​por sobreextrusión. El acrilato de curado UV LOCTITE® AA 3345™ [19] utilizado aquí parecía ser sensible a las condiciones de procesamiento.

Esto conduce a desviaciones estándar generalmente más altas para las probetas adheridas. Después de la fabricación aditiva, la estructura central se fresa mediante una copiadora. El código G necesario para esto se genera automáticamente de acuerdo con la ruta de herramienta ya creada para el proceso de impresión 3D. Es necesario imprimir la estructura del núcleo un poco más arriba de la altura del núcleo prevista. En este ejemplo, la estructura central de 18 mm de espesor se fresa hasta 14 mm.

Aplicación de adhesivo

Esta parte del proceso de fabricación representa un desafío importante para la automatización total. La aplicación del adhesivo requiere un alto grado de exactitud y precisión de la máquina. Se utiliza un sistema dispensador neumático para aplicar el adhesivo a lo largo de la estructura central. Este es guiado por el robot sobre la superficie fresada según la trayectoria de herramienta ya definida. En lugar de las puntas dosificadoras convencionales, resultó especialmente favorable la aplicación con la punta de un pincel. Esto conduce a una dosificación uniforme del volumen en adhesivos de baja viscosidad. La cantidad está definida por la presión aplicada en el sistema, así como por la velocidad del robot. Para una mayor precisión y una unión adhesiva de alta calidad, se prefieren velocidades de movimiento bajas entre 200 y 800 mm/min.

Con una presión de 0,3 a 0,6 mbar se aplicó el acrilato utilizado con una viscosidad media de 1500 mPa*s sobre la pared central de polímero de 6 mm de ancho mediante un cepillo dispensador con un diámetro interior de 0,84 mm y un ancho de cepillo de 5 mm. Luego, el adhesivo se extiende sobre la superficie del sustrato y forma una capa delgada de 1 mm debido a la tensión superficial. Todavía no se ha podido realizar de forma automática una definición exacta del espesor del adhesivo. La duración del proceso es un criterio relevante para la selección del adhesivo. La estructura central producida aquí tiene una longitud de vía de 26 m, lo que da como resultado un tiempo de aplicación de 30 a 60 minutos.

Montaje y curado

Una vez aplicado el adhesivo, se coloca el cristal en su posición. Dado que el vidrio fino ya se deforma fuertemente por su propio peso debido al bajo espesor del material, el cristal debe mantenerse lo más plano posible al colocarlo. Para ello se utiliza una ventosa de vidrio neumática con ventosas distribuidas puntualmente. Se coloca sobre el componente con ayuda de una grúa y, potencialmente, en el futuro directamente con el robot. La hoja de vidrio se coloca paralela a la superficie de la estructura central sobre la capa adhesiva. La presión que se ejerce sobre él debido al bajo peso se incrementa con otro cristal (de 4 a 6 mm de espesor).

El resultado debería ser una humectación completa de la superficie del vidrio a lo largo de la estructura central, lo que se puede comprobar mediante una inspección visual inicial de diferencias de color claras. El proceso de aplicación también puede influir sensiblemente en la calidad de la unión adhesiva resultante. Una vez aplicado, el cristal no se debe reposicionar, ya que esto provocaría residuos de adhesivo visibles en el vidrio e imperfecciones en la capa adhesiva real. Finalmente, el adhesivo se endurece mediante radiación UV con una longitud de onda de 365 nm. Para ello se mantiene una lámpara UV con una densidad de potencia de 6 mW/cm2 de forma gradual durante 60 s sobre toda la superficie adhesiva.

El concepto aquí investigado de un panel compuesto de vidrio delgado, liviano y personalizable con un núcleo de polímero fabricado aditivamente, está destinado a ser utilizado en fachadas futuras. Por lo tanto, el panel compuesto debe cumplir con las normas aplicables y cumplir con los requisitos de estado límite de servicio (SLS), estado límite último (ULS) y seguridad. Por tanto, el panel compuesto debería ser suficientemente seguro, fuerte y rígido para soportar cargas (por ejemplo, cargas superficiales) sin presentar colapso o deformaciones demasiado grandes. Para investigar la respuesta mecánica del panel compuesto de vidrio delgado producido previamente, como se presenta en la sección "Pruebas mecánicas", se sometió a una prueba de carga de viento, como se describe en las siguientes subsecciones.

Configuración de prueba física

El objetivo de la prueba física es investigar el comportamiento mecánico del panel compuesto de fachada bajo carga de viento. Para este propósito, se prepara un panel compuesto hecho de láminas exteriores de vidrio totalmente templado de 3 mm y una estructura central fabricada aditivamente de 14 mm de espesor hecha de PIPG-GF20 usando el adhesivo Loctite AA 3345 de Henkel en el método descrito anteriormente (Fig. 7 izquierda). ). Luego, el panel compuesto se monta en un marco de soporte de madera utilizando tornillos metálicos que se atornillan a través del marco de madera al costado de la estructura central. Los 30 tornillos se colocan a lo largo del perímetro del panel (ver líneas negras en la Fig. 7 izquierda) y están destinados a reproducir con la mayor precisión posible una condición de soporte lineal a lo largo del perímetro.

A continuación, el marco de prueba se instala herméticamente en una pared de prueba de la fachada, lo que genera presión o succión del viento detrás del panel compuesto (Fig. 7, arriba a la derecha). Se utiliza un sistema de correlación digital (DIC) para el registro de datos. Para ello, el cristal exterior del panel compuesto se cubre con una lámina fina y elástica, impresa con un patrón Perlin Noise (fig. 7, abajo a la derecha). El DIC registra la posición relativa de todos los puntos de medición en toda la superficie del vidrio mediante dos cámaras. Se graban dos imágenes por segundo y se utilizan para la evaluación. La presión en la cámara rodeada por el panel compuesto se aumenta mediante un ventilador en pasos de 1000 Pa hasta un máximo de 4000 Pa, manteniéndose cada nivel de carga durante 10 s.

Simulación numérica

La configuración física del experimento también está representada por un modelo numérico con las mismas dimensiones geométricas. Para ello se utiliza el programa numérico Ansys Mechanical. La geometría se malla utilizando elementos hexaédricos SOLID 185 con una longitud de borde de 20 mm para los paneles de vidrio y elementos tetraédricos SOLID 187 con una longitud de borde de 3 mm para la estructura central. Para simplificar la simulación en esta etapa de la investigación, se supone que el acrilato utilizado es idealmente rígido y delgado y se define como una conexión rígida entre el vidrio y el núcleo.

El panel compuesto se fija en una línea alrededor del exterior del núcleo y un panel de vidrio se carga con una carga superficial de 4000 Pa de presión. Si bien la simulación tiene en cuenta las no linealidades geométricas, en esta etapa de la investigación solo se han utilizado modelos de materiales lineales. Si bien esta es una suposición válida para la respuesta elástica lineal del vidrio (con E = 70 000 MPa), la rigidez lineal adoptada de E = 8245 MPa según la hoja de datos del fabricante [17] del material del núcleo de polímero (viscoelástico) debe ser considerado críticamente en el análisis actual y será investigado en investigaciones futuras.

La evaluación de los resultados aquí presentada se centra en la deformación bajo una carga máxima de presión del viento de hasta 4000 Pa (=ˆ4kN/m2). Para ello, la imagen registrada por el DIC se compara con los resultados de la simulación numérica (FEA) (Fig. 8, abajo a la derecha). Mientras que en el FEA se calcula una deformación total idealizada de 0 mm con un soporte "perfectamente" lineal en el área del borde (es decir, el perímetro del panel), el desplazamiento físico del área del borde debe tenerse en cuenta en la evaluación del DIC . Esto se debe a tolerancias en el montaje, así como a una deformación del marco de prueba y de su estanqueidad. A modo de comparación, el desplazamiento medio del área del borde (línea de puntos blanca en la Fig. 8) se resta del desplazamiento máximo en el centro del panel. Los desplazamientos determinados por DIC y FEA se comparan en la Tabla 1 y se muestran como gráficos en la esquina superior izquierda de la Fig. 8.

Tabla 1 Comparación de resultados entre DIC y FEA -mesa de tamaño completo

Los cuatro niveles de carga aplicados del modelo experimental se utilizan como puntos de referencia para la evaluación y también se evalúan en el FEA. El desplazamiento central máximo sin carga del panel compuesto se determinó mediante mediciones DIC a 2,18 mm con un nivel de carga de 4000 Pa. Mientras que el desplazamiento del FEA con cargas más bajas (hasta 2000 Pa) aún puede reproducir los valores experimentales bastante Con precisión, el aumento no lineal de la deformación con cargas más altas no se calcula con precisión.

Sin embargo, el estudio ya demuestra que el panel compuesto es capaz de soportar cargas de viento extremas. Cabe destacar especialmente la alta rigidez del panel ligero. Con un cálculo analítico basado en la teoría de placas lineales según Kirchhoff [20], la deformación de 2,18 mm a 4000 Pa corresponde a la deformación de un panel de vidrio monolítico de 12 mm en las mismas condiciones límite. Por lo tanto, en este panel compuesto el espesor del vidrio (que consume mucha energía) se puede reducir a 2 × 3 mm, lo que supone un ahorro de material del 50 %. Esta reducción del peso total del panel conduce a ventajas adicionales en el montaje. Si bien dos personas pueden manipular fácilmente el panel compuesto de 30 kg, se requiere asistencia técnica para manipular con seguridad un panel de vidrio convencional de 50 kg. Para una representación precisa del comportamiento mecánico, es necesario un modelo numérico más detallado en futuras investigaciones. El FEA se puede mejorar aún más mediante modelos de material no lineales más extensos del polímero y el modelado de la junta adhesiva.

El desarrollo y mejora de procesos digitales juega un papel clave en la industria de la construcción para mejorar el desempeño tanto económico como ambiental. Además, el uso de vidrio fino en fachadas promete potenciales ahorros de energía y recursos y abre nuevas oportunidades en arquitectura. Sin embargo, debido al bajo espesor del vidrio, se necesitan nuevas soluciones estructurales para endurecerlo lo suficiente. Por lo tanto, la investigación presentada en este artículo investigó el concepto de un panel compuesto hecho de vidrio delgado y una estructura central de polímero rígida impresa en 3D unida con adhesivo. Todo el proceso de fabricación, desde el diseño hasta la producción, ha sido digitalizado y automatizado. Se desarrolló un flujo de trabajo de archivo a fábrica con la ayuda de Grasshopper para permitir el uso de paneles finos compuestos de vidrio en fachadas futuras.

La producción de un primer prototipo ya demostró la viabilidad y los desafíos de la producción asistida por robots. Si bien la fabricación aditiva y sustractiva ya podría integrarse muy bien, especialmente la aplicación y el ensamblaje de adhesivos totalmente automatizados representan más desafíos que deben abordarse en futuras investigaciones. Mediante pruebas mecánicas preliminares y simulación exploratoria de FE relacionada, se demuestra que el panel compuesto de vidrio delgado y liviano proporciona suficiente rigidez a la flexión para su aplicación prevista en fachadas, incluso bajo condiciones extremas de carga de viento. La investigación en curso de los autores investigará más a fondo el potencial y demostrará el rendimiento de los delgados paneles compuestos de vidrio fabricados digitalmente para aplicaciones de fachadas.

Los datos en los que se basa este artículo están disponibles a través de los autores previa solicitud razonable.

Los autores desean agradecer a todos los que apoyaron este trabajo de investigación. Los agradecimientos van al programa de financiación EFRE del SAB, financiado con fondos de la Unión Europea, por proporcionar recursos económicos para la adquisición del brazo robótico con extrusora y unidad de molienda, a través de la subvención nro. 100537005. También se reconoce a AiF-ZIM por financiar el proyecto de investigación Glasfur3D (fondo n.º ZF4123725WZ9) en colaboración con Glaswerkstätten Glas Ahne, que brindó un apoyo significativo a este trabajo de investigación. Finalmente, se reconoce al Laboratorio Friedrich-Siemens y su personal, especialmente a Felix Hegewald y al estudiante asistente Jonathan Holzherr, por el soporte técnico y la implementación de pruebas físicas y de fabricación como base para este artículo.

Financiamiento de Acceso Abierto habilitado y organizado por Projekt DEAL.

Autores y afiliaciones

Autor correspondiente

Correspondencia a Daniel Pfarr.