L'utilisation de verre mince promet de remplir diverses tâches dans le secteur de la construction. Outre les avantages environnementaux liés à une utilisation plus efficace des ressources, les architectes peuvent utiliser du verre fin pour atteindre de nouveaux degrés de liberté de conception. Basé sur la théorie du sandwich, un verre mince et flexible peut être combiné avec un noyau polymère à cellules ouvertes imprimé en 3D pour former un verre très rigide et léger.
éléments composites. Cet article présente une tentative exploratoire de fabrication numérique de minces panneaux de façade en verre composite à l'aide de robots industriels. Il explique le concept de numérisation des flux de travail d'usine à usine, y compris la conception assistée par ordinateur (CAO), l'ingénierie (CAE) et la fabrication (FAO). L'étude démontre un processus de conception paramétrique qui permet une intégration transparente des outils d'analyse numérique.
De plus, ce processus démontre le potentiel et les défis de la fabrication numérique de panneaux composites en verre mince. Certaines des étapes de fabrication réalisées par un bras robot industriel, telles que les processus de fabrication additive grand format, d'usinage de surfaces, de collage et d'assemblage, sont expliquées ici. Enfin, pour la première fois, une compréhension approfondie des propriétés mécaniques des panneaux composites a été obtenue grâce à des études expérimentales et numériques et à l'évaluation des propriétés mécaniques des panneaux composites sous chargement superficiel. Le concept global de flux de conception et de fabrication numériques, ainsi que les résultats des études expérimentales, fournissent une base pour une intégration plus poussée des méthodes de définition et d'analyse de forme, ainsi que pour mener des études mécanistiques approfondies dans des études futures.
Les méthodes de fabrication numérique nous permettent d'améliorer la production en transformant les méthodes traditionnelles et en offrant de nouvelles possibilités de conception [1]. Les méthodes de construction traditionnelles ont tendance à surutiliser les matériaux en termes de coût, de géométrie de base et de sécurité. En déplaçant la construction vers les usines, en utilisant la préfabrication modulaire et la robotique pour mettre en œuvre de nouvelles méthodes de conception, les matériaux peuvent être utilisés efficacement sans compromettre la sécurité. La fabrication numérique nous permet d’élargir notre imagination en matière de conception pour créer des formes géométriques plus diverses, efficaces et ambitieuses. Même si les processus de conception et de calcul ont été largement numérisés, la fabrication et l’assemblage sont encore largement réalisés à la main de manière traditionnelle. Pour faire face à des structures de forme libre de plus en plus complexes, les processus de fabrication numérique deviennent de plus en plus importants. Le désir de liberté et de flexibilité de conception, notamment en matière de façades, ne cesse de croître. En plus de l'effet visuel, les façades de forme libre permettent également de créer des structures plus efficaces, par exemple grâce à l'utilisation d'effets de membrane [2]. De plus, le grand potentiel des processus de fabrication numérique réside dans leur efficacité et la possibilité d’optimisation de la conception.
Cet article explore comment la technologie numérique peut être utilisée pour concevoir et fabriquer un panneau de façade composite innovant composé d'un noyau en polymère fabriqué de manière additive et de panneaux extérieurs en verre mince collés. Outre les nouvelles possibilités architecturales liées à l'utilisation de verre mince, les critères environnementaux et économiques ont également été des motivations importantes pour utiliser moins de matériaux pour construire l'enveloppe du bâtiment. Avec le changement climatique, la rareté des ressources et la hausse des prix de l’énergie à l’avenir, le verre doit être utilisé de manière plus intelligente. L'utilisation de verre fin de moins de 2 mm d'épaisseur issu de l'industrie électronique rend la façade légère et réduit l'utilisation de matières premières.
En raison de la grande flexibilité du verre mince, il ouvre de nouvelles possibilités pour les applications architecturales et pose en même temps de nouveaux défis d'ingénierie [3,4,5,6]. Bien que la mise en œuvre actuelle de projets de façade utilisant du verre mince soit limitée, le verre mince est de plus en plus utilisé dans les études de génie civil et d'architecture. En raison de la grande capacité du verre mince à se déformer élastiquement, son utilisation dans les façades nécessite des solutions structurelles renforcées [7]. En plus d'exploiter l'effet de membrane dû à la géométrie incurvée [8], le moment d'inertie peut également être augmenté par une structure multicouche constituée d'un noyau en polymère et d'une fine feuille extérieure de verre collée. Cette approche s’est révélée prometteuse grâce à l’utilisation d’un noyau dur en polycarbonate transparent, moins dense que le verre. En plus de l'action mécanique positive, des critères de sécurité supplémentaires ont été remplis [9].
L’approche de l’étude suivante est basée sur le même concept, mais en utilisant un noyau translucide à pores ouverts fabriqué de manière additive. Cela garantit un degré plus élevé de liberté géométrique et de possibilités de conception, ainsi que l'intégration des fonctions physiques du bâtiment [10]. De tels panneaux composites se sont révélés particulièrement efficaces lors des tests mécaniques [11] et promettent de réduire la quantité de verre utilisée jusqu'à 80 %. Cela réduira non seulement les ressources nécessaires, mais réduira également considérablement le poids des panneaux, augmentant ainsi l'efficacité de la sous-structure. Mais les nouvelles formes de construction nécessitent de nouvelles formes de production. Des structures efficaces nécessitent des processus de fabrication efficaces. La conception numérique contribue à la fabrication numérique. Cet article poursuit les recherches précédentes de l'auteur en présentant une étude du processus de fabrication numérique de panneaux composites de verre mince pour robots industriels. L'accent est mis sur la numérisation du flux de travail du fichier à l'usine des premiers prototypes grand format afin d'accroître l'automatisation du processus de fabrication.
Le panneau composite (Figure 1) se compose de deux fines couches de verre enroulées autour d'un noyau en polymère AM. Les deux parties sont reliées avec de la colle. Le but de cette conception est de répartir la charge sur toute la section aussi efficacement que possible. Les moments de flexion créent des contraintes normales dans la coque. Les forces latérales provoquent des contraintes de cisaillement dans l'âme et les joints adhésifs.
La couche externe de la structure sandwich est constituée de verre mince. En principe, du verre de silicate sodocalcique sera utilisé. Avec une épaisseur cible < 2 mm, le processus de trempe thermique atteint la limite technologique actuelle. Le verre d'aluminosilicate chimiquement renforcé peut être considéré comme particulièrement approprié si une résistance plus élevée est requise en raison de la conception (par exemple, des panneaux pliés à froid) ou de l'utilisation [12]. Les fonctions de transmission de la lumière et de protection de l'environnement seront complétées par de bonnes propriétés mécaniques telles qu'une bonne résistance aux rayures et un module d'Young relativement élevé par rapport aux autres matériaux utilisés dans les composites. En raison de la taille limitée disponible pour le verre mince trempé chimiquement, des panneaux de verre sodocalcique entièrement trempé de 3 mm d'épaisseur ont été utilisés pour créer le premier prototype à grande échelle.
La structure porteuse est considérée comme une pièce profilée du panneau composite. Presque tous les attributs en sont affectés. Grâce à la méthode de fabrication additive, elle est également au centre du processus de fabrication numérique. Les thermoplastiques sont traités par fusion. Cela permet d'utiliser un grand nombre de polymères différents pour des applications spécifiques. La topologie des éléments principaux peut être conçue avec une importance différente en fonction de leur fonction. À cette fin, la conception de formes peut être divisée en quatre catégories de conception suivantes : conception structurelle, conception fonctionnelle, conception esthétique et conception de production. Chaque catégorie peut avoir des objectifs différents, ce qui peut conduire à des topologies différentes.
Au cours de l'étude préliminaire, certains des principaux modèles ont été testés pour vérifier l'adéquation de leur conception [11]. D'un point de vue mécanique, la surface minimale du noyau du gyroscope à trois périodes est particulièrement efficace. Cela offre une résistance mécanique élevée à la flexion avec une consommation de matière relativement faible. En plus des structures cellulaires de base reproduites dans les régions de surface, la topologie peut également être générée par d'autres techniques de recherche de forme. La génération de lignes de contrainte est l'un des moyens possibles d'optimiser la rigidité avec le poids le plus bas possible [13]. Cependant, la structure en nid d'abeille, largement utilisée dans les constructions sandwich, a servi de point de départ au développement de la ligne de production. Cette forme de base permet des progrès rapides en production, notamment grâce à une programmation aisée des parcours d'outils. Son comportement dans les panneaux composites a été largement étudié [14, 15, 16] et son apparence peut être modifiée de nombreuses manières grâce au paramétrage et peut également être utilisée pour des concepts d'optimisation initiaux.
Il existe de nombreux polymères thermoplastiques à prendre en compte lors du choix d'un polymère, en fonction du procédé d'extrusion utilisé. Les premières études préliminaires sur les matériaux à petite échelle ont réduit le nombre de polymères considérés comme adaptés à une utilisation dans les façades [11]. Le polycarbonate (PC) est prometteur en raison de sa résistance à la chaleur, de sa résistance aux UV et de sa grande rigidité. En raison de l'investissement technique et financier supplémentaire requis pour traiter le polycarbonate, du polyéthylène téréphtalate modifié à l'éthylène glycol (PETG) a été utilisé pour produire les premiers prototypes. Il est particulièrement facile à traiter à des températures relativement basses avec un faible risque de contrainte thermique et de déformation des composants. Le prototype présenté ici est fabriqué à partir de PETG recyclé appelé PIPG. Le matériau a été préalablement séché à 60 °C pendant au moins 4 h et transformé en granulés contenant 20 % de fibres de verre [17].
L'adhésif assure une liaison solide entre la structure centrale en polymère et le mince couvercle en verre. Lorsque les panneaux composites sont soumis à des charges de flexion, les joints adhésifs sont soumis à des contraintes de cisaillement. Par conséquent, un adhésif plus dur est préférable et peut réduire la déflexion. Les adhésifs transparents contribuent également à offrir une qualité visuelle élevée lorsqu’ils sont collés au verre transparent. Un autre facteur important lors du choix d’un adhésif est la capacité de fabrication et l’intégration dans des processus de production automatisés. Ici, les colles à durcissement UV avec des temps de durcissement flexibles peuvent grandement simplifier le positionnement des couches de couverture. Sur la base de tests préliminaires, une série d'adhésifs ont été testés pour déterminer leur adéquation aux panneaux composites de verre minces [18]. L'acrylate durcissable aux UV Loctite® AA 3345™ [19] s'est avéré particulièrement adapté au processus suivant.
Pour tirer parti des possibilités de la fabrication additive et de la flexibilité du verre fin, l’ensemble du processus a été conçu pour fonctionner de manière numérique et paramétrique. Grasshopper est utilisé comme interface de programmation visuelle, évitant les interfaces entre différents programmes. Toutes les disciplines (ingénierie, ingénierie et fabrication) se soutiendront et se compléteront dans un seul dossier avec un feedback direct de l'opérateur. À ce stade de l'étude, le flux de travail est encore en cours de développement et suit le modèle présenté dans la figure 2. Les différents objectifs peuvent être regroupés en catégories au sein des disciplines.
Bien que la production de panneaux sandwich dans cet article ait été automatisée avec une conception et une préparation de fabrication centrées sur l'utilisateur, l'intégration et la validation des outils d'ingénierie individuels n'ont pas été entièrement réalisées. Sur la base de la conception paramétrique de la géométrie de la façade, il est possible de concevoir l'enveloppe extérieure du bâtiment au niveau macro (façade) et méso (panneaux de façade). Dans la deuxième étape, la boucle de rétroaction technique vise à évaluer la sécurité, l’adéquation ainsi que la viabilité de la fabrication des murs-rideaux. Enfin, les panneaux résultants sont prêts pour la production numérique. Le programme traite la structure de base développée dans un code G lisible par machine et la prépare à la fabrication additive, au post-traitement soustractif et au collage du verre.
Le processus de conception est considéré à deux niveaux différents. Outre le fait que la forme macro des façades affecte la géométrie de chaque panneau composite, la topologie du noyau lui-même peut également être conçue au niveau méso. Lors de l'utilisation d'un modèle de façade paramétrique, la forme et l'apparence peuvent être influencées par les exemples de sections de façade à l'aide des curseurs illustrés dans la figure 3. Ainsi, la surface totale consiste en une surface évolutive définie par l'utilisateur qui peut être déformée à l'aide d'attracteurs ponctuels et modifiée par spécifiant un degré minimum et maximum de déformation. Cela offre une grande flexibilité dans la conception de l’enveloppe du bâtiment. Cependant, ce degré de liberté est limité par des contraintes techniques et de fabrication, qui sont ensuite mises en jeu par les algorithmes dans la partie ingénierie.
Outre la hauteur et la largeur de l'ensemble de la façade, la division des panneaux de façade est déterminée. Quant aux panneaux de façade individuels, ils peuvent être définis plus précisément au niveau méso. Cela affecte la topologie de la structure centrale elle-même, ainsi que l'épaisseur du verre. Ces deux variables, ainsi que la taille du panneau, ont une relation importante avec la modélisation mécanique. La conception et le développement de l'ensemble du niveau macro et méso peuvent être réalisés en termes d'optimisation dans les quatre catégories de structure, fonction, esthétique et conception de produits. Les utilisateurs peuvent développer l’apparence générale de l’enveloppe du bâtiment en donnant la priorité à ces zones.
Le projet est soutenu par la partie ingénierie à l’aide d’une boucle de rétroaction. À cette fin, les objectifs et les conditions limites sont définis dans la catégorie d'optimisation illustrée à la figure 2. Ils fournissent des couloirs techniquement réalisables, physiquement solides et sûrs à construire d'un point de vue technique, ce qui a un impact significatif sur la conception. C'est le point de départ de divers outils pouvant être intégrés directement dans Grasshopper. Dans des investigations plus approfondies, les propriétés mécaniques peuvent être évaluées à l'aide de l'analyse par éléments finis (FEM) ou même de calculs analytiques.
De plus, les études sur le rayonnement solaire, l'analyse de la ligne de visée et la modélisation de la durée d'ensoleillement peuvent évaluer l'impact des panneaux composites sur la physique des bâtiments. Il est important de ne pas trop limiter la rapidité, l’efficacité et la flexibilité du processus de conception. En tant que tels, les résultats obtenus ici ont été conçus pour fournir des conseils et un soutien supplémentaires au processus de conception et ne remplacent pas une analyse détaillée et une justification à la fin du processus de conception. Ce plan stratégique jette les bases d’autres recherches catégoriques pour des résultats prouvés. Par exemple, on sait encore peu de choses sur le comportement mécanique des panneaux composites sous diverses conditions de charge et de support.
Une fois la conception et l’ingénierie terminées, le modèle est prêt pour la production numérique. Le processus de fabrication est divisé en quatre sous-étapes (Fig. 4). Tout d’abord, la structure principale a été fabriquée de manière additive à l’aide d’une installation d’impression 3D robotisée à grande échelle. La surface est ensuite fraisée à l'aide du même système robotique pour améliorer la qualité de surface nécessaire à une bonne adhérence. Après le fraisage, l'adhésif est appliqué le long de la structure centrale à l'aide d'un système de dosage spécialement conçu et monté sur le même système robotique que celui utilisé pour le processus d'impression et de fraisage. Enfin, le verre est installé et posé avant le durcissement UV du joint collé.
Pour la fabrication additive, la topologie définie de la structure sous-jacente doit être traduite en langage machine CNC (GCode). Pour des résultats uniformes et de haute qualité, l'objectif est d'imprimer chaque couche sans que la buse de l'extrudeuse ne tombe. Cela évite toute surpression indésirable au début et à la fin du mouvement. Par conséquent, un script de génération de trajectoire continue a été écrit pour le modèle de cellule utilisé. Cela créera une polyligne continue paramétrique avec les mêmes points de départ et d'arrivée, qui s'adapte à la taille du panneau sélectionné, au nombre et à la taille des nids d'abeilles selon la conception. De plus, des paramètres tels que la largeur et la hauteur des lignes peuvent être spécifiés avant la pose des lignes pour obtenir la hauteur souhaitée de la structure principale. L'étape suivante du script consiste à écrire les commandes G-code.
Cela se fait en enregistrant les coordonnées de chaque point sur la ligne avec des informations supplémentaires sur la machine telles que d'autres axes pertinents pour le positionnement et le contrôle du volume d'extrusion. Le G-code résultant peut ensuite être transféré aux machines de production. Dans cet exemple, un bras de robot industriel Comau NJ165 sur rail linéaire est utilisé pour contrôler une extrudeuse CEAD E25 selon le G-code (Figure 5). Le premier prototype utilisait du PETG post-industriel avec une teneur en fibre de verre de 20 %. En termes d'essais mécaniques, la taille cible est proche de la taille de l'industrie de la construction, donc les dimensions de l'élément principal sont de 1983 × 876 mm avec 6 × 4 cellules en nid d'abeille. 6 mm et 2 mm de hauteur.
Des tests préliminaires ont montré qu'il existe une différence de force d'adhérence entre l'adhésif et la résine d'impression 3D en fonction de ses propriétés de surface. Pour ce faire, des éprouvettes de fabrication additive sont collées ou laminées sur du verre et soumises à une tension ou un cisaillement. Lors du traitement mécanique préliminaire de la surface du polymère par fraisage, la résistance a considérablement augmenté (Fig. 6). De plus, il améliore la planéité du noyau et évite les défauts provoqués par une surextrusion. L'acrylate LOCTITE® AA 3345™ [19] durcissable aux UV utilisé ici est sensible aux conditions de traitement.
Cela se traduit souvent par un écart type plus élevé pour les échantillons de test de liaison. Après la fabrication additive, la structure centrale a été fraisée sur une fraiseuse de profilés. Le G-code requis pour cette opération est automatiquement généré à partir des parcours d'outils déjà créés pour le processus d'impression 3D. La structure du noyau doit être imprimée légèrement plus haut que la hauteur prévue du noyau. Dans cet exemple, la structure centrale de 18 mm d'épaisseur a été réduite à 14 mm.
Cette partie du processus de fabrication constitue un défi majeur pour une automatisation complète. L'utilisation d'adhésifs impose des exigences élevées en matière d'exactitude et de précision des machines. Le système de dosage pneumatique est utilisé pour appliquer l’adhésif le long de la structure centrale. Il est guidé par le robot le long de la surface de fraisage selon la trajectoire d'outil définie. Il s’avère que le remplacement de l’embout distributeur traditionnel par un pinceau est particulièrement avantageux. Cela permet aux adhésifs à faible viscosité d’être distribués uniformément en volume. Cette quantité est déterminée par la pression dans le système et la vitesse du robot. Pour une plus grande précision et une haute qualité de collage, des vitesses de déplacement faibles de 200 à 800 mm/min sont privilégiées.
De l'acrylate d'une viscosité moyenne de 1 500 mPa*s a été appliqué sur la paroi du noyau polymère de 6 mm de large à l'aide d'une brosse doseuse d'un diamètre intérieur de 0,84 mm et d'une largeur de brosse de 5 sous une pression appliquée de 0,3 à 0,6 mbar. mm. L'adhésif est ensuite étalé sur la surface du substrat et forme une couche de 1 mm d'épaisseur en raison de la tension superficielle. La détermination exacte de l'épaisseur de la colle ne peut pas encore être automatisée. La durée du processus est un critère important pour choisir un adhésif. La structure centrale réalisée ici a une longueur de piste de 26 m et donc un temps d'application de 30 à 60 minutes.
Après avoir appliqué l'adhésif, installez la fenêtre à double vitrage. En raison de la faible épaisseur du matériau, le verre fin est déjà fortement déformé par son propre poids et doit donc être positionné le plus uniformément possible. Pour cela, des ventouses pneumatiques en verre à ventouses dispersées dans le temps sont utilisées. Il est posé sur le composant à l'aide d'une grue et pourra à l'avenir être placé directement à l'aide de robots. La plaque de verre a été placée parallèlement à la surface du noyau sur la couche adhésive. En raison de son poids plus léger, une plaque de verre supplémentaire (de 4 à 6 mm d'épaisseur) augmente la pression sur celle-ci.
Le résultat devrait être un mouillage complet de la surface du verre le long de la structure centrale, comme en témoigne une première inspection visuelle des différences de couleur visibles. Le processus d’application peut également avoir un impact significatif sur la qualité du joint collé final. Une fois collés, les panneaux de verre ne doivent pas être déplacés car cela entraînerait des résidus de colle visibles sur le verre et des défauts dans la couche adhésive elle-même. Enfin, l'adhésif est durci par un rayonnement UV à une longueur d'onde de 365 nm. Pour ce faire, une lampe UV d'une densité de puissance de 6 mW/cm2 est passée progressivement sur toute la surface adhésive pendant 60 s.
Le concept de panneaux composites de verre minces, légers et personnalisables, avec un noyau en polymère fabriqué de manière additive, discuté ici, est destiné à être utilisé dans les futures façades. Ainsi, les panneaux composites doivent être conformes aux normes applicables et répondre aux exigences relatives aux états limites de service (SLS), aux états limites de résistance ultime (ULS) et aux exigences de sécurité. Par conséquent, les panneaux composites doivent être suffisamment sûrs, solides et rigides pour résister aux charges (telles que les charges de surface) sans se briser ni se déformer excessivement. Pour étudier la réponse mécanique de panneaux composites de verre minces précédemment fabriqués (comme décrit dans la section Essais mécaniques), ils ont été soumis à des essais de charge de vent comme décrit dans la sous-section suivante.
Le but des essais physiques est d'étudier les propriétés mécaniques des panneaux composites des murs extérieurs soumis aux charges de vent. À cette fin, des panneaux composites constitués d'une feuille extérieure en verre trempé de 3 mm d'épaisseur et d'un noyau fabriqué de manière additive de 14 mm d'épaisseur (à partir de PIPG-GF20) ont été fabriqués comme décrit ci-dessus en utilisant l'adhésif Henkel Loctite AA 3345 (Fig. 7 à gauche). )). . Les panneaux composites sont ensuite fixés au cadre de support en bois à l'aide de vis métalliques qui sont enfoncées à travers le cadre en bois et sur les côtés de la structure principale. 30 vis ont été placées sur le pourtour du panneau (voir le trait noir à gauche sur la Fig. 7) pour reproduire au plus près les conditions d'appui linéaire sur le pourtour.
Le cadre d'essai a ensuite été scellé au mur d'essai extérieur en appliquant une pression du vent ou une aspiration du vent derrière le panneau composite (Figure 7, en haut à droite). Un système de corrélation numérique (DIC) est utilisé pour enregistrer les données. Pour ce faire, le verre extérieur du panneau composite est recouvert d'une fine feuille élastique imprimée d'un motif de bruit nacré (Fig. 7, en bas à droite). DIC utilise deux caméras pour enregistrer la position relative de tous les points de mesure sur toute la surface du verre. Deux images par seconde ont été enregistrées et utilisées pour l'évaluation. La pression dans la chambre, entourée de panneaux composites, est augmentée au moyen d'un ventilateur par incréments de 1 000 Pa jusqu'à une valeur maximale de 4 000 Pa, de sorte que chaque niveau de charge soit maintenu pendant 10 secondes.
Le dispositif physique de l'expérience est également représenté par un modèle numérique ayant les mêmes dimensions géométriques. Pour cela, le programme numérique Ansys Mechanical est utilisé. La structure centrale était un treillis géométrique utilisant des éléments hexagonaux SOLID 185 avec des côtés de 20 mm pour le verre et des éléments tétraédriques SOLID 187 avec des côtés de 3 mm. Pour simplifier la modélisation, à ce stade de l'étude, on suppose ici que l'acrylate utilisé est idéalement rigide et fin, et se définit comme une liaison rigide entre le verre et le matériau de l'âme.
Les panneaux composites sont fixés en ligne droite à l'extérieur du noyau, et le panneau de verre est soumis à une charge de pression superficielle de 4 000 Pa. Bien que les non-linéarités géométriques aient été prises en compte dans la modélisation, seuls des modèles de matériaux linéaires ont été utilisés à ce stade de la modélisation. étude. Bien qu'il s'agisse d'une hypothèse valable pour la réponse élastique linéaire du verre (E = 70 000 MPa), selon la fiche technique du fabricant du matériau d'âme polymère (viscoélastique) [17], la rigidité linéaire E = 8 245 MPa a été utilisée dans l’analyse actuelle doit être rigoureusement prise en compte et sera étudiée dans des recherches futures.
Les résultats présentés ici sont évalués principalement pour les déformations à des charges de vent maximales allant jusqu'à 4 000 Pa (=ˆ4 kN/m2). Pour cela, les images enregistrées par la méthode DIC ont été comparées aux résultats de simulation numérique (FEM) (Fig. 8, en bas à droite). Alors qu'une déformation totale idéale de 0 mm avec des supports linéaires « idéaux » dans la région du bord (c'est-à-dire le périmètre du panneau) est calculée dans le FEM, le déplacement physique de la région du bord doit être pris en compte lors de l'évaluation du DIC. Ceci est dû aux tolérances d'installation et à la déformation du cadre d'essai et de ses joints. À titre de comparaison, le déplacement moyen dans la région des bords (ligne pointillée blanche sur la figure 8) a été soustrait du déplacement maximal au centre du panneau. Les déplacements déterminés par DIC et FEA sont comparés dans le tableau 1 et sont représentés graphiquement dans le coin supérieur gauche de la figure 8.
Les quatre niveaux de charge appliqués du modèle expérimental ont été utilisés comme points de contrôle pour l'évaluation et évalués dans le FEM. Le déplacement central maximal de la plaque composite à l'état non chargé a été déterminé par des mesures DIC à un niveau de charge de 4 000 Pa à 2, 18 mm. Bien que les déplacements FEA à des charges inférieures (jusqu'à 2 000 Pa) puissent encore reproduire avec précision les valeurs expérimentales, l'augmentation non linéaire de la déformation à des charges plus élevées ne peut pas être calculée avec précision.
Cependant, des études ont montré que les panneaux composites peuvent résister à des charges de vent extrêmes. La grande rigidité des panneaux légers se distingue particulièrement. En utilisant des calculs analytiques basés sur la théorie linéaire des plaques de Kirchhoff [20], une déformation de 2,18 mm à 4000 Pa correspond à la déformation d'une seule plaque de verre de 12 mm d'épaisseur dans les mêmes conditions aux limites. En conséquence, l'épaisseur du verre (qui nécessite beaucoup d'énergie lors de la production) de ce panneau composite peut être réduite à 2 x 3 mm de verre, ce qui entraîne une économie de matériau de 50 %. La réduction du poids total du panneau offre des avantages supplémentaires en termes d'assemblage. Alors qu’un panneau composite de 30 kg peut facilement être manipulé par deux personnes, un panneau en verre traditionnel de 50 kg nécessite un support technique pour se déplacer en toute sécurité. Afin de représenter avec précision le comportement mécanique, des modèles numériques plus détaillés seront nécessaires dans les études futures. L'analyse par éléments finis peut être encore améliorée grâce à des modèles de matériaux non linéaires plus étendus pour les polymères et la modélisation des liaisons adhésives.
Le développement et l’amélioration des processus numériques jouent un rôle clé dans l’amélioration des performances économiques et environnementales du secteur de la construction. De plus, l'utilisation de verre fin dans les façades promet des économies d'énergie et de ressources et ouvre de nouvelles possibilités pour l'architecture. Cependant, en raison de la faible épaisseur du verre, de nouvelles solutions de conception sont nécessaires pour renforcer adéquatement le verre. Par conséquent, l’étude présentée dans cet article explore le concept de panneaux composites fabriqués à partir de verre mince et de structures de base en polymère imprimé en 3D renforcé et collé. L'ensemble du processus de production, de la conception à la production, a été numérisé et automatisé. Avec l'aide de Grasshopper, un flux de travail du fichier à l'usine a été développé pour permettre l'utilisation de panneaux composites de verre minces dans les futures façades.
La production du premier prototype a démontré la faisabilité et les défis de la fabrication robotisée. Bien que la fabrication additive et soustractive soit déjà bien intégrée, l’application et l’assemblage d’adhésifs entièrement automatisés présentent en particulier des défis supplémentaires à relever dans les recherches futures. Grâce à des essais mécaniques préliminaires et à une modélisation de recherche par éléments finis associée, il a été démontré que les panneaux légers et minces en fibre de verre offrent une rigidité à la flexion suffisante pour les applications de façade prévues, même dans des conditions extrêmes de charge de vent. Les recherches en cours des auteurs exploreront davantage le potentiel des panneaux composites de verre minces fabriqués numériquement pour les applications de façade et démontreront leur efficacité.
Les auteurs tiennent à remercier tous les partisans associés à ce travail de recherche. Grâce au programme de financement EFRE SAB financé sur fonds de l'Union européenne sous forme de subvention n° pour fournir des ressources financières pour l'achat d'un manipulateur avec une extrudeuse et un dispositif de fraisage. 100537005. De plus, AiF-ZIM a été récompensé pour le financement du projet de recherche Glasfur3D (numéro de subvention ZF4123725WZ9) en collaboration avec Glaswerkstätten Glas Ahne, qui a apporté un soutien important à ce travail de recherche. Enfin, le laboratoire Friedrich Siemens et ses collaborateurs, en particulier Felix Hegewald et l'étudiant assistant Jonathan Holzerr, reconnaissent le soutien technique et la mise en œuvre de la fabrication et des tests physiques qui ont constitué la base de cet article.
Heure de publication : 04 août 2023