O uso de vidros finos promete cumprir diversas tarefas na construção civil. Além dos benefícios ambientais do uso mais eficiente dos recursos, os arquitetos podem usar vidro fino para alcançar novos graus de liberdade de design. Com base na teoria do sanduíche, o vidro fino e flexível pode ser combinado com um núcleo de polímero de célula aberta impresso em 3D para formar um vidro muito rígido e leve.
elementos compostos. Este artigo apresenta uma tentativa exploratória de fabricação digital de painéis finos de fachada de vidro composto usando robôs industriais. Ele explica o conceito de digitalização de fluxos de trabalho de fábrica para fábrica, incluindo projeto auxiliado por computador (CAD), engenharia (CAE) e fabricação (CAM). O estudo demonstra um processo de design paramétrico que permite a integração perfeita de ferramentas de análise digital.
Além disso, este processo demonstra o potencial e os desafios da fabricação digital de painéis compostos de vidro fino. Algumas das etapas de fabricação executadas por um braço robótico industrial, como fabricação aditiva de grandes formatos, usinagem de superfícies, processos de colagem e montagem, são explicadas aqui. Finalmente, pela primeira vez, uma compreensão profunda das propriedades mecânicas dos painéis compósitos foi obtida através de estudos experimentais e numéricos e avaliação das propriedades mecânicas dos painéis compósitos sob carga superficial. O conceito geral de design digital e fluxo de trabalho de fabricação, bem como os resultados de estudos experimentais, fornecem uma base para maior integração de métodos de definição e análise de forma, bem como para a realização de extensos estudos mecanísticos em estudos futuros.
Os métodos de fabricação digital nos permitem melhorar a produção, transformando os métodos tradicionais e fornecendo novas possibilidades de design [1]. Os métodos tradicionais de construção tendem a abusar dos materiais em termos de custo, geometria básica e segurança. Ao transferir a construção para as fábricas, utilizando a pré-fabricação modular e a robótica para implementar novos métodos de design, os materiais podem ser utilizados de forma eficiente sem comprometer a segurança. A fabricação digital nos permite expandir nossa imaginação de design para criar formas geométricas mais diversas, eficientes e ambiciosas. Embora os processos de projeto e cálculo tenham sido em grande parte digitalizados, a fabricação e a montagem ainda são feitas à mão, de maneira tradicional. Para lidar com estruturas de forma livre cada vez mais complexas, os processos de fabricação digital estão se tornando cada vez mais importantes. O desejo de liberdade e flexibilidade de design, especialmente quando se trata de fachadas, está a crescer continuamente. Além do efeito visual, as fachadas de forma livre também permitem criar estruturas mais eficientes, por exemplo, através da utilização de efeitos de membrana [2]. Além disso, o grande potencial dos processos de fabricação digital reside na sua eficiência e na possibilidade de otimização do design.
Este artigo explora como a tecnologia digital pode ser usada para projetar e fabricar um painel de fachada composto inovador que consiste em um núcleo de polímero fabricado aditivamente e painéis externos de vidro fino colados. Além das novas possibilidades arquitetónicas associadas à utilização de vidro fino, os critérios ambientais e económicos também têm sido motivações importantes para a utilização de menos material na construção da envolvente do edifício. Com as alterações climáticas, a escassez de recursos e o aumento dos preços da energia no futuro, o vidro deve ser utilizado de forma mais inteligente. A utilização de vidros finos com menos de 2 mm de espessura provenientes da indústria eletrônica torna a fachada leve e reduz o uso de matéria-prima.
Devido à alta flexibilidade do vidro fino, abre novas possibilidades para aplicações arquitetônicas e ao mesmo tempo apresenta novos desafios de engenharia [3,4,5,6]. Embora a implementação atual de projetos de fachadas utilizando vidro fino seja limitada, o vidro fino está sendo cada vez mais utilizado em estudos de engenharia civil e arquitetura. Devido à elevada capacidade do vidro fino à deformação elástica, a sua utilização em fachadas requer soluções estruturais reforçadas [7]. Além de explorar o efeito de membrana devido à geometria curva [8], o momento de inércia também pode ser aumentado por uma estrutura multicamadas composta por um núcleo de polímero e uma fina folha externa de vidro colada. Esta abordagem mostrou-se promissora devido ao uso de um núcleo rígido de policarbonato transparente, que é menos denso que o vidro. Além da ação mecânica positiva, critérios de segurança adicionais foram atendidos [9].
A abordagem no estudo a seguir é baseada no mesmo conceito, mas usando um núcleo translúcido de poro aberto fabricado aditivamente. Isto garante um maior grau de liberdade geométrica e possibilidades de design, bem como a integração das funções físicas do edifício [10]. Esses painéis compósitos provaram ser particularmente eficazes em testes mecânicos [11] e prometem reduzir a quantidade de vidro utilizada em até 80%. Isto não só reduzirá os recursos necessários, mas também reduzirá significativamente o peso dos painéis, aumentando assim a eficiência da subestrutura. Mas novas formas de construção exigem novas formas de produção. Estruturas eficientes requerem processos de fabricação eficientes. O design digital contribui para a fabricação digital. Este artigo dá continuidade à pesquisa anterior do autor apresentando um estudo do processo de fabricação digital de painéis finos de vidro compósito para robôs industriais. O foco está na digitalização do fluxo de trabalho do arquivo até a fábrica dos primeiros protótipos de grande formato para aumentar a automação do processo de fabricação.
O painel composto (Figura 1) consiste em duas finas camadas de vidro enroladas em torno de um núcleo de polímero AM. As duas partes estão conectadas com cola. O objetivo deste projeto é distribuir a carga por toda a seção da maneira mais eficiente possível. Os momentos fletores criam tensões normais na casca. As forças laterais causam tensões de cisalhamento no núcleo e nas juntas adesivas.
A camada externa da estrutura sanduíche é feita de vidro fino. Em princípio, será utilizado vidro de silicato de cal sodada. Com uma espessura alvo < 2 mm, o processo de têmpera térmica atinge o limite tecnológico atual. O vidro de aluminossilicato quimicamente reforçado pode ser considerado particularmente adequado se for necessária maior resistência devido ao design (por exemplo, painéis dobrados a frio) ou ao uso [12]. As funções de transmissão de luz e proteção ambiental serão complementadas por boas propriedades mecânicas, como boa resistência a arranhões e um módulo de Young relativamente alto em comparação com outros materiais utilizados em compósitos. Devido ao tamanho limitado disponível para vidro fino temperado quimicamente, painéis de vidro de cal sodada totalmente temperado com 3 mm de espessura foram usados para criar o primeiro protótipo em grande escala.
A estrutura de suporte é considerada uma parte moldada do painel compósito. Quase todos os atributos são afetados por ele. Graças ao método de fabricação aditiva, é também o centro do processo de fabricação digital. Os termoplásticos são processados por fusão. Isto torna possível a utilização de um grande número de polímeros diferentes para aplicações específicas. A topologia dos elementos principais pode ser projetada com diferentes ênfases dependendo de sua função. Para este propósito, o projeto de forma pode ser dividido nas seguintes quatro categorias de projeto: projeto estrutural, projeto funcional, projeto estético e projeto de produção. Cada categoria pode ter finalidades diferentes, o que pode levar a topologias diferentes.
Durante o estudo preliminar, alguns dos principais projetos foram testados quanto à adequação de seu projeto [11]. Do ponto de vista mecânico, a superfície central mínima de três períodos do giroscópio é particularmente eficaz. Isto proporciona alta resistência mecânica à flexão com um consumo de material relativamente baixo. Além das estruturas básicas celulares reproduzidas nas regiões superficiais, a topologia também pode ser gerada por outras técnicas de determinação de forma. A geração de linhas de tensão é uma das maneiras possíveis de otimizar a rigidez com o menor peso possível [13]. Porém, a estrutura em favo de mel, muito utilizada em construções sanduíche, tem sido utilizada como ponto de partida para o desenvolvimento da linha de produção. Esta forma básica leva a um rápido progresso na produção, especialmente através da fácil programação do percurso da ferramenta. Seu comportamento em painéis compostos tem sido extensivamente estudado [14, 15, 16] e a aparência pode ser alterada de várias maneiras através de parametrização e também pode ser usada para conceitos iniciais de otimização.
Existem muitos polímeros termoplásticos a serem considerados ao escolher um polímero, dependendo do processo de extrusão utilizado. Estudos preliminares iniciais de materiais em pequena escala reduziram o número de polímeros considerados adequados para uso em fachadas [11]. O policarbonato (PC) é promissor devido à sua resistência ao calor, resistência aos raios UV e alta rigidez. Devido ao investimento técnico e financeiro adicional necessário para processar o policarbonato, o tereftalato de polietileno modificado com etilenoglicol (PETG) foi utilizado para produzir os primeiros protótipos. É particularmente fácil de processar em temperaturas relativamente baixas, com baixo risco de tensão térmica e deformação dos componentes. O protótipo mostrado aqui é feito de PETG reciclado denominado PIPG. O material foi preliminarmente seco a 60°C por pelo menos 4 horas e processado em grânulos com teor de fibra de vidro de 20% [17].
O adesivo fornece uma ligação forte entre a estrutura do núcleo do polímero e a fina tampa de vidro. Quando os painéis compósitos são submetidos a cargas de flexão, as juntas adesivas ficam sujeitas a tensões de cisalhamento. Portanto, um adesivo mais duro é preferido e pode reduzir a deflexão. Os adesivos transparentes também ajudam a fornecer alta qualidade visual quando colados em vidro transparente. Outro fator importante na escolha de um adesivo é a capacidade de fabricação e a integração em processos de produção automatizados. Aqui, os adesivos de cura UV com tempos de cura flexíveis podem simplificar bastante o posicionamento das camadas de cobertura. Com base em testes preliminares, uma série de adesivos foi testada quanto à sua adequação para painéis compostos de vidro finos [18]. O acrilato curável por UV Loctite® AA 3345™ [19] provou ser particularmente adequado para o seguinte processo.
Para aproveitar as possibilidades da fabricação aditiva e a flexibilidade do vidro fino, todo o processo foi projetado para funcionar de forma digital e paramétrica. O Grasshopper é utilizado como interface visual de programação, evitando interfaces entre diferentes programas. Todas as disciplinas (engenharia, engenharia e manufatura) se apoiarão e se complementarão em um único arquivo com feedback direto do operador. Nesta etapa do estudo, o fluxo de trabalho ainda está em desenvolvimento e segue o padrão mostrado na Figura 2. Os diferentes objetivos podem ser agrupados em categorias dentro das disciplinas.
Embora a produção de painéis sanduíche neste artigo tenha sido automatizada com projeto centrado no usuário e preparação de fabricação, a integração e validação de ferramentas de engenharia individuais não foram totalmente realizadas. Com base no desenho paramétrico da geometria da fachada, é possível projetar a casca exterior do edifício ao nível macro (fachada) e meso (painéis de fachada). Na segunda etapa, o ciclo de feedback de engenharia visa avaliar a segurança e a adequação, bem como a viabilidade da fabricação da parede cortina. Finalmente, os painéis resultantes estão prontos para produção digital. O programa processa a estrutura central desenvolvida em código G legível por máquina e a prepara para fabricação aditiva, pós-processamento subtrativo e colagem de vidro.
O processo de design é considerado em dois níveis diferentes. Além do fato de que a macroforma das fachadas afeta a geometria de cada painel composto, a topologia do próprio núcleo também pode ser projetada no nível meso. Ao usar um modelo paramétrico de fachada, a forma e a aparência podem ser influenciadas pelas seções de exemplo da fachada usando os controles deslizantes mostrados na Figura 3. Assim, a superfície total consiste em uma superfície escalável definida pelo usuário que pode ser deformada usando atratores pontuais e modificada por especificando um grau mínimo e máximo de deformação. Isto proporciona um alto grau de flexibilidade no projeto de envoltórios de edifícios. No entanto, este grau de liberdade é limitado por restrições técnicas e de fabricação, que são então aproveitadas pelos algoritmos na parte de engenharia.
Além da altura e largura de toda a fachada, é determinada a divisão dos painéis da fachada. Quanto aos painéis de fachada individuais, podem ser definidos com mais precisão ao nível meso. Isto afeta a topologia da própria estrutura central, bem como a espessura do vidro. Estas duas variáveis, assim como o tamanho do painel, têm uma relação importante com a modelagem da engenharia mecânica. A concepção e desenvolvimento de todo o nível macro e meso pode ser realizado em termos de otimização nas quatro categorias de estrutura, função, estética e design de produto. Os usuários podem desenvolver a aparência geral da envolvente do edifício, priorizando essas áreas.
O projeto é apoiado pela parte de engenharia por meio de um ciclo de feedback. Para este fim, os objetivos e as condições de contorno são definidos na categoria de otimização mostrada na Fig. 2. Eles fornecem corredores que são tecnicamente viáveis, fisicamente sólidos e seguros para construir do ponto de vista da engenharia, o que tem um impacto significativo no projeto. Este é o ponto de partida para diversas ferramentas que podem ser integradas diretamente no Grasshopper. Em investigações posteriores, as propriedades mecânicas podem ser avaliadas usando Análise de Elementos Finitos (MEF) ou mesmo cálculos analíticos.
Além disso, estudos de radiação solar, análise de linha de visão e modelagem da duração da luz solar podem avaliar o impacto dos painéis compostos na física da construção. É importante não limitar excessivamente a velocidade, eficiência e flexibilidade do processo de design. Como tal, os resultados aqui obtidos foram concebidos para fornecer orientação e apoio adicionais ao processo de design e não substituem uma análise detalhada e justificação no final do processo de design. Este plano estratégico estabelece as bases para futuras pesquisas categóricas para resultados comprovados. Por exemplo, pouco se sabe ainda sobre o comportamento mecânico de painéis compósitos sob diversas condições de carga e suporte.
Assim que o projeto e a engenharia forem concluídos, o modelo estará pronto para produção digital. O processo de fabricação é dividido em quatro subetapas (Fig. 4). Primeiro, a estrutura principal foi fabricada de forma aditiva usando uma instalação robótica de impressão 3D em grande escala. A superfície é então fresada usando o mesmo sistema robótico para melhorar a qualidade da superfície necessária para uma boa adesão. Após a fresagem, o adesivo é aplicado ao longo da estrutura central usando um sistema de dosagem especialmente projetado e montado no mesmo sistema robótico usado para o processo de impressão e fresagem. Finalmente, o vidro é instalado e colocado antes da cura UV da junta colada.
Para a fabricação aditiva, a topologia definida da estrutura subjacente deve ser traduzida para linguagem de máquina CNC (GCode). Para resultados uniformes e de alta qualidade, o objetivo é imprimir cada camada sem que o bico da extrusora caia. Isto evita sobrepressão indesejada no início e no final do movimento. Portanto, um script de geração de trajetória contínua foi escrito para o padrão de célula utilizado. Isso criará uma polilinha contínua paramétrica com os mesmos pontos inicial e final, que se adapta ao tamanho do painel selecionado, número e tamanho dos favos de mel conforme o design. Além disso, parâmetros como largura e altura da linha podem ser especificados antes de colocar as linhas para atingir a altura desejada da estrutura principal. A próxima etapa do script é escrever os comandos do código G.
Isto é feito registrando as coordenadas de cada ponto na linha com informações adicionais da máquina, como outros eixos relevantes para posicionamento e controle de volume de extrusão. O código G resultante pode então ser transferido para máquinas de produção. Neste exemplo, um braço robótico industrial Comau NJ165 em um trilho linear é usado para controlar uma extrusora CEAD E25 de acordo com o código G (Figura 5). O primeiro protótipo utilizou PETG pós-industrial com teor de fibra de vidro de 20%. Em termos de testes mecânicos, o tamanho alvo está próximo do tamanho da indústria da construção, portanto as dimensões do elemento principal são 1983 × 876 mm com células em favo de mel 6 × 4. 6 mm e 2 mm de altura.
Testes preliminares mostraram que existe uma diferença na resistência adesiva entre o adesivo e a resina de impressão 3D, dependendo das propriedades de sua superfície. Para fazer isso, corpos de prova de fabricação aditiva são colados ou laminados em vidro e submetidos a tensão ou cisalhamento. Durante o processamento mecânico preliminar da superfície do polímero por fresagem, a resistência aumentou significativamente (Fig. 6). Além disso, melhora o nivelamento do núcleo e evita defeitos causados por extrusão excessiva. O acrilato LOCTITE® AA 3345™ [19] curável por UV usado aqui é sensível às condições de processamento.
Isto geralmente resulta em um desvio padrão mais alto para as amostras de teste de ligação. Após a fabricação aditiva, a estrutura do núcleo foi fresada em uma fresadora de perfis. O código G necessário para esta operação é gerado automaticamente a partir de percursos já criados para o processo de impressão 3D. A estrutura do núcleo precisa ser impressa um pouco mais alta do que a altura pretendida do núcleo. Neste exemplo, a estrutura central de 18 mm de espessura foi reduzida para 14 mm.
Esta parte do processo de fabricação é um grande desafio para a automação total. O uso de adesivos exige muito da exatidão e precisão das máquinas. O sistema de dosagem pneumática é utilizado para aplicar o adesivo ao longo da estrutura do núcleo. Ele é guiado pelo robô ao longo da superfície fresada de acordo com o caminho definido da ferramenta. Acontece que substituir a ponta dispensadora tradicional por um pincel é especialmente vantajoso. Isto permite que adesivos de baixa viscosidade sejam distribuídos uniformemente em volume. Este valor é determinado pela pressão no sistema e pela velocidade do robô. Para maior precisão e alta qualidade de colagem, são preferidas velocidades de deslocamento baixas de 200 a 800 mm/min.
O acrilato com viscosidade média de 1500 mPa*s foi aplicado na parede do núcleo do polímero com 6 mm de largura usando um pincel doseador com diâmetro interno de 0,84 mm e largura de pincel de 5 a uma pressão aplicada de 0,3 a 0,6 mbar. mm. O adesivo é então espalhado sobre a superfície do substrato e forma uma camada de 1 mm de espessura devido à tensão superficial. A determinação exata da espessura do adesivo ainda não pode ser automatizada. A duração do processo é um critério importante na escolha de um adesivo. A estrutura central aqui produzida tem um comprimento de pista de 26 m e, portanto, um tempo de aplicação de 30 a 60 minutos.
Após a aplicação do adesivo, instale a janela de vidro duplo no lugar. Devido à baixa espessura do material, o vidro fino já está fortemente deformado pelo seu próprio peso e deve, portanto, ser posicionado o mais uniformemente possível. Para isso, são utilizadas ventosas pneumáticas de vidro com ventosas dispersas no tempo. Ele é colocado no componente por meio de um guindaste e futuramente poderá ser colocado diretamente por meio de robôs. A placa de vidro foi colocada paralelamente à superfície do núcleo na camada adesiva. Devido ao peso mais leve, uma placa de vidro adicional (4 a 6 mm de espessura) aumenta a pressão sobre ela.
O resultado deve ser umedecimento completo da superfície do vidro ao longo da estrutura central, como pode ser avaliado a partir de uma inspeção visual inicial das diferenças de cor visíveis. O processo de aplicação também pode ter um impacto significativo na qualidade da junta final colada. Uma vez colados, os painéis de vidro não devem ser movidos, pois isso resultará em resíduos visíveis de adesivo no vidro e defeitos na própria camada adesiva. Finalmente, o adesivo é curado com radiação UV no comprimento de onda de 365 nm. Para isso, uma lâmpada UV com densidade de potência de 6 mW/cm2 é passada gradualmente sobre toda a superfície adesiva durante 60 s.
O conceito de painéis compostos de vidro finos, leves e personalizáveis, com núcleo de polímero fabricado aditivamente, discutido aqui, destina-se ao uso em fachadas futuras. Assim, os painéis compósitos devem cumprir as normas aplicáveis e cumprir os requisitos de estados limites de serviço (SLS), estados limites de resistência última (ULS) e requisitos de segurança. Portanto, os painéis compostos devem ser seguros, fortes e rígidos o suficiente para suportar cargas (como cargas superficiais) sem quebrar ou deformar excessivamente. Para investigar a resposta mecânica de painéis compostos de vidro finos previamente fabricados (conforme descrito na seção Testes Mecânicos), eles foram submetidos a testes de carga de vento conforme descrito na próxima subseção.
O objetivo dos testes físicos é estudar as propriedades mecânicas de painéis compósitos de paredes externas sob cargas de vento. Para este fim, painéis compósitos consistindo de uma folha externa de vidro totalmente temperado com 3 mm de espessura e um núcleo fabricado aditivamente com 14 mm de espessura (de PIPG-GF20) foram fabricados como descrito acima usando adesivo Henkel Loctite AA 3345 (Fig. 7 à esquerda). )). . Os painéis compostos são então fixados à estrutura de suporte de madeira com parafusos de metal que são inseridos através da estrutura de madeira e nas laterais da estrutura principal. 30 parafusos foram colocados ao redor do perímetro do painel (veja a linha preta à esquerda na Fig. 7) para reproduzir as condições de suporte linear ao redor do perímetro o mais fielmente possível.
A estrutura de teste foi então selada à parede externa de teste aplicando pressão do vento ou sucção do vento atrás do painel composto (Figura 7, canto superior direito). Um sistema de correlação digital (DIC) é usado para registrar dados. Para isso, o vidro externo do painel composto é coberto com uma fina folha elástica impressa nele com um padrão de ruído perolado (Fig. 7, canto inferior direito). O DIC usa duas câmeras para registrar a posição relativa de todos os pontos de medição em toda a superfície do vidro. Duas imagens por segundo foram gravadas e utilizadas para avaliação. A pressão na câmara, rodeada por painéis compósitos, é aumentada por meio de um ventilador em incrementos de 1000 Pa até um valor máximo de 4000 Pa, de modo que cada nível de carga seja mantido durante 10 segundos.
A configuração física do experimento também é representada por um modelo numérico com as mesmas dimensões geométricas. Para isso é utilizado o programa numérico Ansys Mechanical. A estrutura central foi uma malha geométrica usando elementos hexagonais SOLID 185 com lados de 20 mm para vidro e elementos tetraédricos SOLID 187 com lados de 3 mm. Para simplificar a modelagem, nesta fase do estudo, assume-se aqui que o acrilato utilizado é idealmente rígido e fino, e é definido como uma ligação rígida entre o vidro e o material do núcleo.
Os painéis compósitos são fixados em linha reta fora do núcleo, e o painel de vidro é submetido a uma carga de pressão superficial de 4000 Pa. Embora não-linearidades geométricas tenham sido levadas em conta na modelagem, apenas modelos de materiais lineares foram utilizados nesta fase do projeto. estudar. Embora esta seja uma suposição válida para a resposta elástica linear do vidro (E = 70.000 MPa), de acordo com a ficha técnica do fabricante do material do núcleo polimérico (viscoelástico) [17], a rigidez linear E = 8.245 MPa foi usada em a análise atual deve ser rigorosamente considerada e será estudada em pesquisas futuras.
Os resultados aqui apresentados são avaliados principalmente para deformações em cargas máximas de vento de até 4000 Pa (=ˆ4kN/m2). Para isso, as imagens registradas pelo método DIC foram comparadas com os resultados da simulação numérica (FEM) (Fig. 8, canto inferior direito). Embora uma deformação total ideal de 0 mm com apoios lineares “ideais” na região da borda (isto é, perímetro do painel) seja calculada no FEM, o deslocamento físico da região da borda deve ser levado em consideração ao avaliar o DIC. Isto se deve às tolerâncias de instalação e à deformação da estrutura de teste e de suas vedações. Para efeito de comparação, o deslocamento médio na região da borda (linha branca tracejada na Fig. 8) foi subtraído do deslocamento máximo no centro do painel. Os deslocamentos determinados por DIC e FEA são comparados na Tabela 1 e são mostrados graficamente no canto superior esquerdo da Figura 8.
Os quatro níveis de carga aplicados do modelo experimental foram utilizados como pontos de controle para avaliação e avaliados no MEF. O deslocamento central máximo da placa composta no estado descarregado foi determinado por medições DIC a um nível de carga de 4000 Pa a 2,18 mm. Embora os deslocamentos FEA em cargas mais baixas (até 2.000 Pa) ainda possam reproduzir com precisão os valores experimentais, o aumento não linear da deformação em cargas mais altas não pode ser calculado com precisão.
No entanto, estudos mostraram que os painéis compostos podem suportar cargas extremas de vento. A elevada rigidez dos painéis leves destaca-se em particular. Utilizando cálculos analíticos baseados na teoria linear das placas de Kirchhoff [20], uma deformação de 2,18 mm a 4000 Pa corresponde à deformação de uma única placa de vidro com 12 mm de espessura sob as mesmas condições de contorno. Como resultado, a espessura do vidro (que consome muita energia na produção) neste painel composto pode ser reduzida para vidro de 2 x 3 mm, resultando em uma economia de material de 50%. A redução do peso total do painel proporciona benefícios adicionais em termos de montagem. Enquanto um painel composto de 30 kg pode ser facilmente manuseado por duas pessoas, um painel de vidro tradicional de 50 kg requer suporte técnico para ser movimentado com segurança. Para representar com precisão o comportamento mecânico, modelos numéricos mais detalhados serão necessários em estudos futuros. A análise de elementos finitos pode ser aprimorada ainda mais com modelos de materiais não lineares mais extensos para polímeros e modelagem de ligações adesivas.
O desenvolvimento e a melhoria dos processos digitais desempenham um papel fundamental na melhoria do desempenho económico e ambiental na indústria da construção. Além disso, o uso de vidros finos em fachadas promete economia de energia e recursos e abre novas possibilidades para a arquitetura. No entanto, devido à pequena espessura do vidro, são necessárias novas soluções de design para reforçar adequadamente o vidro. Portanto, o estudo apresentado neste artigo explora o conceito de painéis compósitos feitos de vidro fino e estruturas de núcleo de polímero impressas em 3D reforçadas e coladas. Todo o processo de produção, desde o design até a produção, foi digitalizado e automatizado. Com a ajuda do Grasshopper, foi desenvolvido um fluxo de trabalho do arquivo até a fábrica para permitir o uso de painéis compostos de vidro finos em futuras fachadas.
A produção do primeiro protótipo demonstrou a viabilidade e os desafios da fabricação robótica. Embora a fabricação aditiva e subtrativa já esteja bem integrada, a aplicação e montagem de adesivos totalmente automatizadas, em particular, apresentam desafios adicionais a serem abordados em pesquisas futuras. Através de testes mecânicos preliminares e modelagem de pesquisa de elementos finitos associados, foi demonstrado que painéis de fibra de vidro leves e finos fornecem rigidez à flexão suficiente para as aplicações pretendidas em fachadas, mesmo sob condições extremas de carga de vento. A pesquisa em andamento dos autores explorará ainda mais o potencial dos painéis compostos de vidro fino fabricados digitalmente para aplicações em fachadas e demonstrará sua eficácia.
Os autores gostariam de agradecer a todos os apoiadores associados a este trabalho de pesquisa. Graças ao programa de financiamento EFRE SAB financiado por fundos da União Europeia sob a forma de subvenção nº para fornecer recursos financeiros para a compra de um manipulador com extrusora e fresadora. 100537005. Além disso, a AiF-ZIM foi reconhecida por financiar o projeto de pesquisa Glasfur3D (número de concessão ZF4123725WZ9) em colaboração com Glaswerkstätten Glas Ahne, que forneceu apoio significativo para este trabalho de pesquisa. Finalmente, o Laboratório Friedrich Siemens e seus colaboradores, especialmente Felix Hegewald e o estudante assistente Jonathan Holzerr, reconhecem o suporte técnico e a implementação da fabricação e dos testes físicos que formaram a base deste artigo.
Horário da postagem: 04/08/2023