نماذج أولية من ألواح الواجهات الزجاجية الرقيقة المركبة رقميا

يعد استخدام الزجاج الرقيق بإنجاز المهام المختلفة في صناعة البناء والتشييد. بالإضافة إلى الفوائد البيئية للاستخدام الأكثر كفاءة للموارد، يمكن للمهندسين المعماريين استخدام الزجاج الرقيق لتحقيق درجات جديدة من حرية التصميم. واستنادًا إلى نظرية الساندويتش، يمكن دمج الزجاج الرقيق المرن مع قلب بوليمر مفتوح الخلية مطبوع ثلاثي الأبعاد لتشكيل مادة صلبة وخفيفة الوزن للغاية العناصر المركبة. تقدم هذه المقالة محاولة استكشافية للتصنيع الرقمي لألواح الواجهات الزجاجية الرقيقة باستخدام الروبوتات الصناعية. وهو يشرح مفهوم رقمنة سير العمل من مصنع إلى مصنع، بما في ذلك التصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD)، والهندسة (CAE)، والتصنيع (CAM). توضح الدراسة عملية تصميم بارامترية تتيح التكامل السلس لأدوات التحليل الرقمي.
بالإضافة إلى ذلك، توضح هذه العملية إمكانات وتحديات التصنيع الرقمي للألواح الزجاجية الرقيقة المركبة. يتم هنا شرح بعض خطوات التصنيع التي تقوم بها ذراع الروبوت الصناعية، مثل التصنيع الإضافي كبير الحجم، وتصنيع الأسطح، وعمليات اللصق والتجميع. وأخيراً، ولأول مرة، تم الحصول على فهم عميق للخواص الميكانيكية للألواح المركبة من خلال الدراسات التجريبية والعددية وتقييم الخواص الميكانيكية للألواح المركبة تحت التحميل السطحي. يوفر المفهوم العام للتصميم الرقمي وسير عمل التصنيع، بالإضافة إلى نتائج الدراسات التجريبية، أساسًا لمزيد من التكامل بين تعريف الشكل وطرق التحليل، بالإضافة إلى إجراء دراسات آلية واسعة النطاق في الدراسات المستقبلية.
تسمح لنا أساليب التصنيع الرقمية بتحسين الإنتاج من خلال تغيير الأساليب التقليدية وتوفير إمكانيات تصميم جديدة [1]. تميل طرق البناء التقليدية إلى الإفراط في استخدام المواد من حيث التكلفة والهندسة الأساسية والسلامة. ومن خلال نقل البناء إلى المصانع، واستخدام وحدات مسبقة الصنع والروبوتات لتنفيذ أساليب التصميم الجديدة، يمكن استخدام المواد بكفاءة دون المساس بالسلامة. يتيح لنا التصنيع الرقمي توسيع خيالنا التصميمي لإنشاء أشكال هندسية أكثر تنوعًا وكفاءة وطموحًا. وفي حين تمت رقمنة عمليات التصميم والحساب إلى حد كبير، إلا أن التصنيع والتجميع لا يزال يتم إلى حد كبير يدويًا بالطرق التقليدية. للتعامل مع الهياكل الحرة المعقدة بشكل متزايد، أصبحت عمليات التصنيع الرقمية ذات أهمية متزايدة. إن الرغبة في الحرية ومرونة التصميم، خاصة عندما يتعلق الأمر بالواجهات، تتزايد بشكل مطرد. بالإضافة إلى التأثير البصري، تتيح لك الواجهات ذات الشكل الحر أيضًا إنشاء هياكل أكثر كفاءة، على سبيل المثال، من خلال استخدام تأثيرات الغشاء [2]. بالإضافة إلى ذلك، تكمن الإمكانات الكبيرة لعمليات التصنيع الرقمية في كفاءتها وإمكانية تحسين التصميم.
يستكشف هذا المقال كيف يمكن استخدام التكنولوجيا الرقمية لتصميم وتصنيع لوحة واجهة مركبة مبتكرة تتكون من نواة بوليمر مُصنَّعة بشكل إضافي وألواح خارجية زجاجية رفيعة مرتبطة. بالإضافة إلى الإمكانيات المعمارية الجديدة المرتبطة باستخدام الزجاج الرقيق، كانت المعايير البيئية والاقتصادية أيضًا دوافع مهمة لاستخدام مواد أقل لبناء غلاف المبنى. ومع تغير المناخ وندرة الموارد وارتفاع أسعار الطاقة في المستقبل، يجب استخدام الزجاج بشكل أكثر ذكاءً. استخدام الزجاج الرقيق الذي يقل سمكه عن 2 مم من صناعة الإلكترونيات يجعل الواجهة خفيفة ويقلل من استخدام المواد الخام.
ونظرًا للمرونة العالية للزجاج الرقيق، فإنه يفتح إمكانيات جديدة للتطبيقات المعمارية ويطرح في الوقت نفسه تحديات هندسية جديدة [3،4،5،6]. في حين أن التنفيذ الحالي لمشاريع الواجهات باستخدام الزجاج الرقيق محدود، إلا أن الزجاج الرقيق يستخدم بشكل متزايد في الهندسة المدنية والدراسات المعمارية. نظرًا لقدرة الزجاج الرقيق العالية على التشوه المرن، فإن استخدامه في الواجهات يتطلب حلولاً هيكلية معززة [7]. بالإضافة إلى استغلال تأثير الغشاء بسبب الهندسة المنحنية [8]، يمكن أيضًا زيادة عزم القصور الذاتي من خلال بنية متعددة الطبقات تتكون من نواة بوليمر وصفيحة خارجية زجاجية رقيقة ملتصقة. وقد أظهر هذا النهج نتائج واعدة بسبب استخدام قلب صلب وشفاف من البولي كربونات، وهو أقل كثافة من الزجاج. بالإضافة إلى العمل الميكانيكي الإيجابي، تم استيفاء معايير السلامة الإضافية [9].
يعتمد النهج المتبع في الدراسة التالية على نفس المفهوم، ولكن باستخدام نواة شفافة ذات مسام مفتوحة وملفقة بشكل إضافي. وهذا يضمن درجة أعلى من الحرية الهندسية وإمكانيات التصميم، فضلا عن تكامل الوظائف المادية للمبنى [10]. وقد أثبتت هذه الألواح المركبة فعاليتها بشكل خاص في الاختبارات الميكانيكية [11] وتعد بتقليل كمية الزجاج المستخدم بنسبة تصل إلى 80%. لن يؤدي هذا إلى تقليل الموارد المطلوبة فحسب، بل سيؤدي أيضًا إلى تقليل وزن الألواح بشكل كبير، وبالتالي زيادة كفاءة البنية التحتية. لكن الأشكال الجديدة للبناء تتطلب أشكالا جديدة للإنتاج. تتطلب الهياكل الفعالة عمليات تصنيع فعالة. يساهم التصميم الرقمي في التصنيع الرقمي. يواصل هذا المقال البحث السابق للمؤلف من خلال تقديم دراسة لعملية التصنيع الرقمي للألواح الزجاجية الرقيقة المركبة للروبوتات الصناعية. ينصب التركيز على رقمنة سير العمل من الملف إلى المصنع للنماذج الأولية كبيرة الحجم لزيادة أتمتة عملية التصنيع.
تتكون اللوحة المركبة (الشكل 1) من طبقتين زجاجيتين رفيعتين ملفوفتين حول قلب بوليمر AM. الجزءان متصلان بالغراء. الغرض من هذا التصميم هو توزيع الحمل على القسم بأكمله بأكبر قدر ممكن من الكفاءة. لحظات الانحناء تخلق ضغوطًا طبيعية في الصدفة. تسبب القوى الجانبية إجهادات القص في المفاصل الأساسية واللاصقة.
الطبقة الخارجية لهيكل الساندويتش مصنوعة من الزجاج الرقيق. من حيث المبدأ، سيتم استخدام زجاج سيليكات الصودا والجير. مع سمك الهدف < 2 مم، تصل عملية التقسية الحرارية إلى الحد التكنولوجي الحالي. يمكن اعتبار زجاج الألومينوسيليكات المقوى كيميائيًا مناسبًا بشكل خاص إذا كانت هناك حاجة إلى قوة أعلى بسبب التصميم (على سبيل المثال، الألواح المطوية على البارد) أو الاستخدام [12]. سيتم استكمال وظائف نقل الضوء وحماية البيئة بخصائص ميكانيكية جيدة مثل المقاومة الجيدة للخدش ومعامل يونغ المرتفع نسبيًا مقارنة بالمواد الأخرى المستخدمة في المواد المركبة. نظرًا للحجم المحدود المتاح للزجاج الرقيق المقسى كيميائيًا، تم استخدام ألواح من زجاج الصودا والجير المقسى بالكامل بسمك 3 مم لإنشاء أول نموذج أولي واسع النطاق.
يعتبر الهيكل الداعم بمثابة جزء من اللوحة المركبة. تتأثر به جميع السمات تقريبًا. وبفضل طريقة التصنيع المضافة، فهو أيضًا مركز عملية التصنيع الرقمي. تتم معالجة اللدائن الحرارية عن طريق الصهر. وهذا يجعل من الممكن استخدام عدد كبير من البوليمرات المختلفة لتطبيقات محددة. يمكن تصميم طوبولوجيا العناصر الرئيسية بتركيزات مختلفة اعتمادًا على وظيفتها. ولهذا الغرض، يمكن تقسيم تصميم الشكل إلى فئات التصميم الأربع التالية: التصميم الهيكلي، والتصميم الوظيفي، والتصميم الجمالي، وتصميم الإنتاج. يمكن أن يكون لكل فئة أغراض مختلفة، مما قد يؤدي إلى طبولوجيا مختلفة.
خلال الدراسة الأولية، تم اختبار بعض التصاميم الرئيسية للتأكد من مدى ملاءمة تصميمها [11]. من وجهة نظر ميكانيكية، يعد الحد الأدنى للسطح الأساسي للجيروسكوب المكون من ثلاث فترات فعالًا بشكل خاص. وهذا يوفر مقاومة ميكانيكية عالية للانحناء عند استهلاك مواد منخفض نسبيًا. بالإضافة إلى الهياكل الأساسية الخلوية المستنسخة في المناطق السطحية، يمكن أيضًا إنشاء الطوبولوجيا بواسطة تقنيات أخرى لإيجاد الشكل. يعد توليد خط الإجهاد أحد الطرق الممكنة لتحسين الصلابة عند أقل وزن ممكن [13]. ومع ذلك، فإن هيكل قرص العسل، المستخدم على نطاق واسع في إنشاءات الساندويتش، تم استخدامه كنقطة انطلاق لتطوير خط الإنتاج. يؤدي هذا النموذج الأساسي إلى تقدم سريع في الإنتاج، خاصة من خلال برمجة مسار الأدوات السهلة. تمت دراسة سلوكها في اللوحات المركبة على نطاق واسع [14، 15، 16] ويمكن تغيير المظهر بعدة طرق من خلال تحديد المعلمات ويمكن استخدامه أيضًا لمفاهيم التحسين الأولية.
هناك العديد من البوليمرات البلاستيكية الحرارية التي يجب مراعاتها عند اختيار البوليمر، اعتمادًا على عملية البثق المستخدمة. أدت الدراسات الأولية الأولية للمواد صغيرة الحجم إلى تقليل عدد البوليمرات التي تعتبر مناسبة للاستخدام في الواجهات [11]. يعد البولي كربونات (PC) واعدًا نظرًا لمقاومته للحرارة ومقاومته للأشعة فوق البنفسجية وصلابته العالية. نظرًا للاستثمار الفني والمالي الإضافي المطلوب لمعالجة البولي كربونات، تم استخدام البولي إيثيلين جليكول المعدل (PETG) لإنتاج النماذج الأولية. ومن السهل بشكل خاص معالجتها في درجات حرارة منخفضة نسبيًا مع انخفاض خطر الإجهاد الحراري وتشوه المكونات. النموذج الأولي الموضح هنا مصنوع من مادة PETG المعاد تدويرها والتي تسمى PIPG. تم تجفيف المادة مبدئيًا عند 60 درجة مئوية لمدة 4 ساعات على الأقل ومعالجتها إلى حبيبات تحتوي على ألياف زجاجية بنسبة 20٪ [17].
توفر المادة اللاصقة رابطة قوية بين هيكل البوليمر الأساسي والغطاء الزجاجي الرقيق. عندما تتعرض الألواح المركبة لأحمال الانحناء، تتعرض الوصلات اللاصقة لإجهاد القص. لذلك، يُفضل استخدام مادة لاصقة أكثر صلابة وقد تقلل من الانحراف. تساعد المواد اللاصقة الشفافة أيضًا على توفير جودة بصرية عالية عند ربطها بالزجاج الشفاف. هناك عامل مهم آخر عند اختيار المادة اللاصقة وهو قابلية التصنيع والتكامل في عمليات الإنتاج الآلية. هنا يمكن للمواد اللاصقة المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية ذات أوقات المعالجة المرنة أن تبسط إلى حد كبير تحديد موضع طبقات الغطاء. بناءً على الاختبارات الأولية، تم اختبار سلسلة من المواد اللاصقة للتأكد من ملاءمتها للألواح الزجاجية المركبة الرقيقة [18]. أثبت Loctite® AA 3345™ الأكريليت القابل للمعالجة بالأشعة فوق البنفسجية [19] أنه مناسب بشكل خاص للعملية التالية.
للاستفادة من إمكانيات التصنيع الإضافي ومرونة الزجاج الرقيق، تم تصميم العملية برمتها للعمل رقميًا وبارامتريًا. يتم استخدام Grasshopper كواجهة برمجة مرئية، مع تجنب الواجهات بين البرامج المختلفة. جميع التخصصات (الهندسة والهندسة والتصنيع) سوف تدعم وتكمل بعضها البعض في ملف واحد مع ردود فعل مباشرة من المشغل. في هذه المرحلة من الدراسة، لا يزال سير العمل قيد التطوير ويتبع النمط الموضح في الشكل 2. ويمكن تجميع الأهداف المختلفة في فئات داخل التخصصات.
على الرغم من أن إنتاج الألواح العازلة في هذه الورقة قد تم آليًا من خلال التصميم الذي يركز على المستخدم وإعداد التصنيع، إلا أن التكامل والتحقق من صحة الأدوات الهندسية الفردية لم يتحقق بالكامل. بناءً على التصميم البارامتري لهندسة الواجهة، من الممكن تصميم الغلاف الخارجي للمبنى على المستوى الكلي (الواجهة) والمتوسط ​​(ألواح الواجهة). في الخطوة الثانية، تهدف حلقة التغذية الراجعة الهندسية إلى تقييم السلامة والملاءمة بالإضافة إلى جدوى تصنيع الحوائط الساترة. وأخيرًا، أصبحت الألواح الناتجة جاهزة للإنتاج الرقمي. يقوم البرنامج بمعالجة البنية الأساسية المطورة في كود G القابل للقراءة آليًا وإعداده للتصنيع الإضافي والمعالجة اللاحقة الطرحية والترابط الزجاجي.
تعتبر عملية التصميم على مستويين مختلفين. بالإضافة إلى حقيقة أن الشكل الكلي للواجهات يؤثر على هندسة كل لوحة مركبة، يمكن أيضًا تصميم طوبولوجيا النواة نفسها على المستوى المتوسط. عند استخدام نموذج واجهة بارامترية، يمكن أن يتأثر الشكل والمظهر بمثال أقسام الواجهة باستخدام أشرطة التمرير الموضحة في الشكل 3. وبالتالي، يتكون السطح الإجمالي من سطح قابل للتطوير محدد من قبل المستخدم والذي يمكن تشويهه باستخدام جاذبات نقطية وتعديله بواسطة تحديد الحد الأدنى والحد الأقصى لدرجة التشوه. وهذا يوفر درجة عالية من المرونة في تصميم مظاريف البناء. ومع ذلك، فإن هذه الدرجة من الحرية محدودة بسبب القيود التقنية والتصنيعية، والتي يتم تشغيلها بعد ذلك بواسطة الخوارزميات في الجزء الهندسي.
بالإضافة إلى ارتفاع وعرض الواجهة بأكملها، يتم تحديد تقسيم ألواح الواجهة. أما بالنسبة لألواح الواجهات الفردية، فيمكن تعريفها بشكل أكثر دقة على المستوى المتوسط. ويؤثر هذا على طوبولوجيا البنية الأساسية نفسها، فضلاً عن سمك الزجاج. هذين المتغيرين، بالإضافة إلى حجم اللوحة، لهما علاقة مهمة بنمذجة الهندسة الميكانيكية. يمكن تنفيذ تصميم وتطوير المستوى الكلي والمتوسط ​​بالكامل من حيث التحسين في الفئات الأربع للهيكل والوظيفة والجماليات وتصميم المنتج. يمكن للمستخدمين تطوير الشكل والمظهر العام لغلاف المبنى من خلال تحديد أولويات هذه المناطق.
يتم دعم المشروع من خلال الجزء الهندسي باستخدام حلقة التغذية الراجعة. ولتحقيق هذه الغاية، تم تحديد الأهداف والشروط الحدودية في فئة التحسين الموضحة في الشكل 2. فهي توفر ممرات مجدية تقنيًا وسليمة ماديًا وآمنة للبناء من وجهة نظر هندسية، مما له تأثير كبير على التصميم. هذه هي نقطة البداية للعديد من الأدوات التي يمكن دمجها مباشرة في Grasshopper. وفي مزيد من التحقيقات، يمكن تقييم الخواص الميكانيكية باستخدام تحليل العناصر المحدودة (FEM) أو حتى الحسابات التحليلية.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن لدراسات الإشعاع الشمسي، وتحليل خط البصر، ونمذجة مدة سطوع الشمس تقييم تأثير الألواح المركبة على فيزياء البناء. من المهم عدم الإفراط في الحد من سرعة وكفاءة ومرونة عملية التصميم. وعلى هذا النحو، تم تصميم النتائج التي تم الحصول عليها هنا لتوفير إرشادات ودعم إضافيين لعملية التصميم وليست بديلاً عن التحليل التفصيلي والتبرير في نهاية عملية التصميم. تضع هذه الخطة الإستراتيجية الأساس لمزيد من البحث التصنيفي للحصول على نتائج مثبتة. على سبيل المثال، لا يُعرف سوى القليل حتى الآن عن السلوك الميكانيكي للألواح المركبة في ظل ظروف الحمل والدعم المختلفة.
بمجرد اكتمال التصميم والهندسة، يصبح النموذج جاهزًا للإنتاج الرقمي. تنقسم عملية التصنيع إلى أربع مراحل فرعية (الشكل 4). أولاً، تم تصنيع الهيكل الرئيسي بشكل إضافي باستخدام منشأة طباعة ثلاثية الأبعاد روبوتية واسعة النطاق. يتم بعد ذلك طحن السطح باستخدام نفس النظام الآلي لتحسين جودة السطح المطلوبة للترابط الجيد. بعد الطحن، يتم تطبيق المادة اللاصقة على طول الهيكل الأساسي باستخدام نظام جرعات مصمم خصيصًا ومثبت على نفس النظام الآلي المستخدم في عملية الطباعة والطحن. أخيرًا، يتم تركيب الزجاج ووضعه قبل المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية للمفصل المرتبط.
بالنسبة للتصنيع الإضافي، يجب ترجمة الهيكل المحدد للبنية الأساسية إلى لغة آلة CNC (GCode). للحصول على نتائج موحدة وعالية الجودة، الهدف هو طباعة كل طبقة دون سقوط فوهة الطارد. وهذا يمنع الضغط الزائد غير المرغوب فيه في بداية الحركة ونهايتها. ولذلك، تمت كتابة برنامج نصي لتوليد المسار المستمر لنمط الخلية المستخدمة. سيؤدي هذا إلى إنشاء خط متعدد الحدودي مستمر بنفس نقاط البداية والنهاية، والذي يتكيف مع حجم اللوحة المحددة وعدد وحجم أقراص العسل حسب التصميم. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تحديد المعلمات مثل عرض الخط وارتفاع الخط قبل وضع الخطوط لتحقيق الارتفاع المطلوب للهيكل الرئيسي. الخطوة التالية في البرنامج النصي هي كتابة أوامر G-code.
ويتم ذلك عن طريق تسجيل إحداثيات كل نقطة على الخط مع معلومات إضافية عن الماكينة مثل المحاور الأخرى ذات الصلة لتحديد المواقع والتحكم في مستوى صوت البثق. ويمكن بعد ذلك نقل رمز G الناتج إلى آلات الإنتاج. في هذا المثال، يتم استخدام ذراع الروبوت الصناعي Comau NJ165 على سكة خطية للتحكم في جهاز بثق CEAD E25 وفقًا للكود G (الشكل 5). استخدم النموذج الأولي PETG ما بعد الصناعة بمحتوى من الألياف الزجاجية بنسبة 20%. ومن حيث الاختبار الميكانيكي فإن الحجم المستهدف قريب من حجم صناعة البناء، لذا فإن أبعاد العنصر الرئيسي هي 1983 × 876 ملم مع 6 × 4 خلايا قرصية عسلية. ارتفاع 6 ملم و 2 ملم.
وقد أظهرت الاختبارات الأولية أن هناك اختلافًا في قوة الالتصاق بين المادة اللاصقة وراتنج الطباعة ثلاثية الأبعاد اعتمادًا على خصائص سطحها. للقيام بذلك، يتم لصق عينات اختبار التصنيع الإضافي أو تصفيحها بالزجاج وتعريضها للتوتر أو القص. أثناء المعالجة الميكانيكية الأولية لسطح البوليمر عن طريق الطحن، زادت القوة بشكل ملحوظ (الشكل 6). بالإضافة إلى ذلك، فهو يحسن تسطيح القلب ويمنع العيوب الناجمة عن الإفراط في البثق. إن مادة الأكريليت LOCTITE® AA 3345™ [19] القابلة للمعالجة بالأشعة فوق البنفسجية المستخدمة هنا حساسة لظروف المعالجة.
يؤدي هذا غالبًا إلى انحراف معياري أعلى لعينات اختبار السندات. بعد التصنيع الإضافي، تم طحن الهيكل الأساسي على آلة طحن جانبية. يتم إنشاء رمز G المطلوب لهذه العملية تلقائيًا من مسارات الأدوات التي تم إنشاؤها بالفعل لعملية الطباعة ثلاثية الأبعاد. يجب طباعة الهيكل الأساسي أعلى قليلاً من الارتفاع الأساسي المقصود. في هذا المثال، تم تخفيض الهيكل الأساسي بسمك 18 مم إلى 14 مم.
يمثل هذا الجزء من عملية التصنيع تحديًا كبيرًا للأتمتة الكاملة. إن استخدام المواد اللاصقة يضع متطلبات عالية على دقة الآلات وإحكامها. يتم استخدام نظام الجرعات الهوائي لتطبيق المادة اللاصقة على طول الهيكل الأساسي. يتم توجيهه بواسطة الروبوت على طول سطح الطحن وفقًا لمسار الأداة المحدد. لقد اتضح أن استبدال طرف التوزيع التقليدي بفرشاة مفيد بشكل خاص. وهذا يسمح بتوزيع المواد اللاصقة منخفضة اللزوجة بشكل موحد من حيث الحجم. يتم تحديد هذا المبلغ من خلال الضغط في النظام وسرعة الروبوت. للحصول على دقة أكبر وجودة ربط عالية، يفضل استخدام سرعات سير منخفضة تتراوح من 200 إلى 800 مم/دقيقة.
تم تطبيق الأكريليت بمتوسط ​​لزوجة 1500 مللي باسكال * ثانية على جدار قلب البوليمر بعرض 6 مم باستخدام فرشاة جرعات بقطر داخلي يبلغ 0.84 مم وعرض فرشاة 5 عند ضغط مطبق يتراوح من 0.3 إلى 0.6 ملي بار. مم. يتم بعد ذلك نشر المادة اللاصقة على سطح الركيزة وتشكل طبقة بسمك 1 مم بسبب التوتر السطحي. لا يمكن بعد أتمتة التحديد الدقيق لسمك المادة اللاصقة. تعد مدة العملية معيارًا مهمًا لاختيار المادة اللاصقة. يبلغ طول الهيكل الأساسي المنتج هنا 26 مترًا، وبالتالي يستغرق وقت التطبيق من 30 إلى 60 دقيقة.
بعد وضع المادة اللاصقة، قم بتثبيت النافذة ذات الزجاج المزدوج في مكانها. نظرًا لسمك المادة المنخفض، فإن الزجاج الرقيق يتشوه بشدة بسبب وزنه، وبالتالي يجب وضعه بشكل متساوٍ قدر الإمكان. لهذا الغرض، يتم استخدام أكواب شفط زجاجية هوائية مع أكواب شفط مشتتة بمرور الوقت. ويتم وضعها على المكون باستخدام رافعة، وفي المستقبل يمكن وضعها مباشرة باستخدام الروبوتات. تم وضع اللوحة الزجاجية بالتوازي مع سطح اللب على الطبقة اللاصقة. ونظرًا لخفة الوزن، تعمل لوحة زجاجية إضافية (سمكها من 4 إلى 6 مم) على زيادة الضغط عليها.
وينبغي أن تكون النتيجة ترطيب كامل للسطح الزجاجي على طول البنية الأساسية، كما يمكن الحكم عليه من خلال الفحص البصري الأولي للاختلافات المرئية في الألوان. يمكن أن يكون لعملية التطبيق أيضًا تأثير كبير على جودة الوصلة النهائية. بمجرد لصقها، يجب عدم تحريك الألواح الزجاجية لأن ذلك سيؤدي إلى بقايا لاصقة مرئية على الزجاج وعيوب في الطبقة اللاصقة الفعلية. وأخيرًا، تتم معالجة المادة اللاصقة باستخدام الأشعة فوق البنفسجية بطول موجة يبلغ 365 نانومتر. للقيام بذلك، يتم تمرير مصباح الأشعة فوق البنفسجية بكثافة طاقة تبلغ 6 ميجاوات/سم2 تدريجيًا على السطح اللاصق بأكمله لمدة 60 ثانية.
إن مفهوم الألواح الزجاجية الرقيقة خفيفة الوزن والقابلة للتخصيص مع قلب البوليمر المُصنَّع بشكل إضافي والذي تمت مناقشته هنا مخصص للاستخدام في الواجهات المستقبلية. وبالتالي، يجب أن تمتثل الألواح المركبة للمعايير المعمول بها وتلبي متطلبات حالات حد الخدمة (SLS)، وحالات حد القوة القصوى (ULS) ومتطلبات السلامة. ولذلك، يجب أن تكون الألواح المركبة آمنة وقوية وصلبة بما يكفي لتحمل الأحمال (مثل الأحمال السطحية) دون كسر أو تشوه مفرط. للتحقق من الاستجابة الميكانيكية للألواح الزجاجية الرقيقة المركبة مسبقًا (كما هو موضح في قسم الاختبارات الميكانيكية)، تم إخضاعها لاختبارات حمل الرياح كما هو موضح في القسم الفرعي التالي.
الغرض من الاختبار الفيزيائي هو دراسة الخواص الميكانيكية للألواح المركبة للجدران الخارجية تحت أحمال الرياح. تحقيقًا لهذه الغاية، تم تصنيع الألواح المركبة التي تتكون من لوح خارجي من الزجاج المقسى بسمك 3 مم ونواة مُصنعة بشكل إضافي بسمك 14 مم (من PIPG-GF20) كما هو موضح أعلاه باستخدام لاصق Henkel Loctite AA 3345 (الشكل 7 على اليسار). )). . يتم بعد ذلك ربط الألواح المركبة بإطار الدعم الخشبي بمسامير معدنية يتم دفعها عبر الإطار الخشبي وإلى جوانب الهيكل الرئيسي. تم وضع 30 مسمارًا حول محيط اللوحة (انظر الخط الأسود الموجود على اليسار في الشكل 7) لإعادة إنتاج ظروف الدعم الخطية حول المحيط بأكبر قدر ممكن.
تم بعد ذلك إغلاق إطار الاختبار على جدار الاختبار الخارجي عن طريق تطبيق ضغط الرياح أو شفط الرياح خلف اللوحة المركبة (الشكل 7، أعلى اليمين). يتم استخدام نظام الارتباط الرقمي (DIC) لتسجيل البيانات. للقيام بذلك، يتم تغطية الزجاج الخارجي للوحة المركبة بطبقة مرنة رقيقة مطبوعة عليها بنمط ضوضاء لؤلؤي (الشكل 7، أسفل اليمين). تستخدم مدينة دبي للإنترنت كاميرتين لتسجيل الموضع النسبي لجميع نقاط القياس على السطح الزجاجي بأكمله. تم تسجيل صورتين في الثانية واستخدامها للتقييم. يتم زيادة الضغط في الحجرة، المحاطة بألواح مركبة، عن طريق مروحة بزيادات قدرها 1000 باسكال حتى قيمة قصوى تبلغ 4000 باسكال، بحيث يتم الحفاظ على كل مستوى تحميل لمدة 10 ثوانٍ.
كما تم تمثيل الإعداد المادي للتجربة بنموذج عددي له نفس الأبعاد الهندسية. ولهذا يتم استخدام البرنامج العددي Ansys Mechanical. كان الهيكل الأساسي عبارة عن شبكة هندسية باستخدام عناصر SOLID 185 سداسية بجوانب 20 مم للزجاج وعناصر SOLID 187 رباعية السطوح بجوانب 3 مم. لتبسيط عملية النمذجة، في هذه المرحلة من الدراسة، من المفترض هنا أن مادة الأكريليت المستخدمة تكون صلبة ورقيقة بشكل مثالي، ويتم تعريفها على أنها رابطة صلبة بين الزجاج والمادة الأساسية.
يتم تثبيت الألواح المركبة في خط مستقيم خارج القلب، ويتعرض اللوح الزجاجي لضغط سطحي يصل إلى 4000 باسكال. على الرغم من أخذ اللاخطية الهندسية في الاعتبار في النمذجة، إلا أنه تم استخدام نماذج المواد الخطية فقط في هذه المرحلة من النمذجة. يذاكر. على الرغم من أن هذا افتراض صحيح للاستجابة المرنة الخطية للزجاج (E = 70000 ميجا باسكال)، وفقًا لورقة البيانات الخاصة بالشركة المصنعة للمادة الأساسية البوليمرية (اللزجة المرنة) [17]، تم استخدام الصلابة الخطية E = 8245 ميجا باسكال في وينبغي النظر بدقة في التحليل الحالي وسيتم دراسته في البحوث المستقبلية.
يتم تقييم النتائج المقدمة هنا بشكل أساسي للتشوهات عند أحمال الرياح القصوى التي تصل إلى 4000 باسكال (=ˆ4 كيلو نيوتن / م2). ولهذا الغرض، تمت مقارنة الصور المسجلة بواسطة طريقة DIC مع نتائج المحاكاة العددية (FEM) (الشكل 8، أسفل اليمين). في حين يتم حساب سلالة إجمالية مثالية تبلغ 0 مم مع دعامات خطية "مثالية" في منطقة الحافة (أي محيط اللوحة) في FEM، يجب أن يؤخذ الإزاحة المادية لمنطقة الحافة في الاعتبار عند تقييم مدينة دبي للإنترنت. ويرجع ذلك إلى تفاوتات التثبيت وتشوه إطار الاختبار وأختامه. للمقارنة، تم طرح متوسط ​​الإزاحة في منطقة الحافة (الخط الأبيض المتقطع في الشكل 8) من الحد الأقصى للإزاحة في وسط اللوحة. تتم مقارنة عمليات الإزاحة التي تحددها DIC وFEA في الجدول 1 وتظهر بيانيًا في الزاوية اليسرى العليا من الشكل 8.
تم استخدام مستويات الحمل الأربعة المطبقة للنموذج التجريبي كنقاط تحكم للتقييم وتقييمها في FEM. تم تحديد الحد الأقصى للإزاحة المركزية للوحة المركبة في حالة التفريغ بواسطة قياسات DIC عند مستوى حمل يبلغ 4000 باسكال عند 2.18 مم. في حين أن عمليات إزاحة FEA عند الأحمال المنخفضة (حتى 2000 باسكال) لا تزال قادرة على إعادة إنتاج القيم التجريبية بدقة، لا يمكن حساب الزيادة غير الخطية في الضغط عند الأحمال الأعلى بدقة.
ومع ذلك، فقد أظهرت الدراسات أن الألواح المركبة يمكنها تحمل أحمال الرياح الشديدة. وتبرز بشكل خاص الصلابة العالية للألواح خفيفة الوزن. باستخدام الحسابات التحليلية المستندة إلى النظرية الخطية لألواح كيرشوف [20]، فإن التشوه بمقدار 2.18 ملم عند ضغط 4000 باسكال يتوافق مع تشوه لوح زجاجي واحد بسماكة 12 ملم تحت نفس الظروف الحدودية. ونتيجة لذلك، يمكن تقليل سمك الزجاج (الذي يستهلك الكثير من الطاقة في الإنتاج) في هذه اللوحة المركبة إلى زجاج 2 × 3 مم، مما يؤدي إلى توفير المواد بنسبة 50%. يوفر تقليل الوزن الإجمالي للوحة فوائد إضافية من حيث التجميع. في حين يمكن لشخصين التعامل بسهولة مع لوحة مركبة يبلغ وزنها 30 كجم، فإن اللوحة الزجاجية التقليدية التي يبلغ وزنها 50 كجم تتطلب دعمًا فنيًا للتحرك بأمان. من أجل تمثيل السلوك الميكانيكي بدقة، ستكون هناك حاجة إلى نماذج عددية أكثر تفصيلاً في الدراسات المستقبلية. يمكن تعزيز تحليل العناصر المحدودة بشكل أكبر من خلال نماذج المواد غير الخطية الأكثر شمولاً للبوليمرات ونمذجة الروابط اللاصقة.
يلعب تطوير العمليات الرقمية وتحسينها دورًا رئيسيًا في تحسين الأداء الاقتصادي والبيئي في صناعة البناء والتشييد. بالإضافة إلى ذلك، فإن استخدام الزجاج الرقيق في الواجهات يعد بتوفير الطاقة والموارد ويفتح إمكانيات جديدة للهندسة المعمارية. ومع ذلك، نظرًا لسمك الزجاج الصغير، يلزم حلول تصميم جديدة لتعزيز الزجاج بشكل مناسب. ولذلك، فإن الدراسة المقدمة في هذه المقالة تستكشف مفهوم الألواح المركبة المصنوعة من الزجاج الرقيق والهياكل الأساسية البوليمرية المطبوعة ثلاثية الأبعاد والمعززة. تمت رقمنة عملية الإنتاج بأكملها، بدءًا من التصميم وحتى الإنتاج، وأتمتتها. وبمساعدة Grasshopper، تم تطوير سير العمل من الملف إلى المصنع لتمكين استخدام الألواح الزجاجية المركبة الرقيقة في الواجهات المستقبلية.
أظهر إنتاج النموذج الأولي جدوى التصنيع الآلي وتحدياته. في حين أن التصنيع الإضافي والطرح متكاملان بشكل جيد بالفعل، فإن تطبيق وتجميع المواد اللاصقة المؤتمتة بالكامل على وجه الخصوص يمثل تحديات إضافية يجب معالجتها في الأبحاث المستقبلية. من خلال الاختبارات الميكانيكية الأولية ونمذجة أبحاث العناصر المحدودة المرتبطة بها، تبين أن ألواح الألياف الزجاجية خفيفة الوزن والرفيعة توفر صلابة انحناء كافية لتطبيقات الواجهة المقصودة، حتى في ظل ظروف حمل الرياح الشديدة. ستعمل الأبحاث المستمرة للمؤلفين على استكشاف إمكانات الألواح الزجاجية الرقيقة المركبة رقميًا لتطبيقات الواجهات وإظهار فعاليتها.
يود المؤلفون أن يشكروا جميع الداعمين المرتبطين بهذا العمل البحثي. بفضل برنامج التمويل EFRE SAB الممول من أموال الاتحاد الأوروبي على شكل منحة رقم لتوفير الموارد المالية لشراء مناور مع جهاز بثق وجهاز طحن. 100537005. بالإضافة إلى ذلك، تم الاعتراف بـ AiF-ZIM لتمويل مشروع بحث Glasfur3D (رقم المنحة ZF4123725WZ9) بالتعاون مع Glaswerkstätten Glas Ahne، التي قدمت دعمًا كبيرًا لهذا العمل البحثي. أخيرًا، يعترف مختبر فريدريش سيمنز والمتعاونون معه، وخاصة فيليكس هيجوالد ومساعد الطلاب جوناثان هولزر، بالدعم الفني وتنفيذ التصنيع والاختبارات الفيزيائية التي شكلت الأساس لهذه الورقة.