Թվային ձևով պատրաստված բարակ ապակյա կոմպոզիտային ճակատային վահանակների նախատիպեր

Բարակ ապակու օգտագործումը խոստանում է կատարել շինարարության ոլորտում տարբեր առաջադրանքներ։ Ի հավելումն ռեսուրսների ավելի արդյունավետ օգտագործման բնապահպանական առավելությունների, ճարտարապետները կարող են օգտագործել բարակ ապակի՝ դիզայնի ազատության նոր աստիճանների հասնելու համար: Հիմնվելով սենդվիչի տեսության վրա՝ ճկուն բարակ ապակին կարող է համակցվել 3D տպագրված բաց բջիջներով պոլիմերային միջուկի հետ՝ ձևավորելով շատ կոշտ և թեթև քաշ։ կոմպոզիտային տարրեր. Այս հոդվածը ներկայացնում է արդյունաբերական ռոբոտների օգտագործմամբ բարակ ապակե կոմպոզիտային ճակատային վահանակների թվային արտադրության հետախուզական փորձ: Այն բացատրում է գործարանից գործարան աշխատանքային հոսքերի թվայնացման հայեցակարգը, ներառյալ համակարգչային օժանդակ դիզայնը (CAD), ճարտարագիտությունը (CAE) և արտադրությունը (CAM): Ուսումնասիրությունը ցույց է տալիս պարամետրային նախագծման գործընթաց, որը թույլ է տալիս թվային վերլուծության գործիքների անխափան ինտեգրումը:
Բացի այդ, այս գործընթացը ցույց է տալիս բարակ ապակե կոմպոզիտային վահանակների թվային արտադրության ներուժն ու մարտահրավերները: Արդյունաբերական ռոբոտի ձեռքով իրականացվող որոշ արտադրական քայլեր, ինչպիսիք են լայնաֆորմատ հավելումների արտադրությունը, մակերեսային հաստոցները, սոսնձման և հավաքման գործընթացները, բացատրվում են այստեղ: Վերջապես, առաջին անգամ, կոմպոզիտային վահանակների մեխանիկական հատկությունների խորը պատկերացում է ձեռք բերվել փորձարարական և թվային ուսումնասիրությունների և մակերևութային բեռնվածության տակ կոմպոզիտային վահանակների մեխանիկական հատկությունների գնահատման միջոցով: Թվային նախագծման և արտադրության աշխատանքային հոսքի ընդհանուր հայեցակարգը, ինչպես նաև փորձարարական ուսումնասիրությունների արդյունքները հիմք են ստեղծում ձևի սահմանման և վերլուծության մեթոդների հետագա ինտեգրման, ինչպես նաև հետագա ուսումնասիրություններում մեխանիկական լայնածավալ ուսումնասիրությունների իրականացման համար:
Թվային արտադրության մեթոդները մեզ թույլ են տալիս բարելավել արտադրությունը՝ փոխակերպելով ավանդական մեթոդները և տրամադրելով նոր դիզայնի հնարավորություններ [1]: Ավանդական շինարարական մեթոդները հակված են գերօգտագործելու նյութերը ծախսերի, հիմնական երկրաչափության և անվտանգության տեսանկյունից: Շինարարությունը գործարան տեղափոխելով, օգտագործելով մոդուլային նախապատրաստություն և ռոբոտաշինություն՝ նախագծման նոր մեթոդներ կիրառելու համար, նյութերը կարող են արդյունավետ օգտագործվել՝ չվնասելով անվտանգությունը: Թվային արտադրությունը մեզ թույլ է տալիս ընդլայնել մեր դիզայներական երևակայությունը՝ ստեղծելու ավելի բազմազան, արդյունավետ և հավակնոտ երկրաչափական ձևեր: Թեև նախագծման և հաշվարկման գործընթացները հիմնականում թվայնացվել են, արտադրությունն ու հավաքումը դեռ հիմնականում կատարվում են ձեռքով ավանդական եղանակներով: Գնալով ավելի բարդ ազատ ձևի կառուցվածքներին դիմակայելու համար թվային արտադրության գործընթացները գնալով ավելի կարևոր են դառնում: Ազատության և դիզայնի ճկունության ցանկությունը, հատկապես, երբ խոսքը վերաբերում է ֆասադներին, անշեղորեն աճում է: Բացի տեսողական էֆեկտից, ազատ ձևի ֆասադները նաև թույլ են տալիս ստեղծել ավելի արդյունավետ կառույցներ, օրինակ՝ թաղանթային էֆեկտների կիրառմամբ [2]: Բացի այդ, թվային արտադրական գործընթացների մեծ ներուժը կայանում է դրանց արդյունավետության և դիզայնի օպտիմալացման հնարավորության մեջ:
Այս հոդվածը ուսումնասիրում է, թե ինչպես կարելի է թվային տեխնոլոգիան օգտագործել նորարարական կոմպոզիտային ճակատային վահանակի նախագծման և արտադրության համար, որը բաղկացած է հավելումներով պատրաստված պոլիմերային միջուկից և կապակցված բարակ ապակյա արտաքին վահանակներից: Ի հավելումն բարակ ապակու կիրառման հետ կապված նոր ճարտարապետական ​​հնարավորությունների, շրջակա միջավայրի և տնտեսական չափանիշները նույնպես կարևոր դրդապատճառներ են հանդիսացել շենքի ծրարը կառուցելու համար քիչ նյութ օգտագործելու համար: Հետագայում կլիմայի փոփոխության, ռեսուրսների սակավության և էներգիայի գների աճի պայմաններում ապակին պետք է ավելի խելացի օգտագործվի: Էլեկտրոնիկայի արդյունաբերությունից 2 մմ-ից պակաս հաստությամբ բարակ ապակու օգտագործումը ճակատը դարձնում է թեթև և նվազեցնում հումքի օգտագործումը:
Բարակ ապակու բարձր ճկունության շնորհիվ այն նոր հնարավորություններ է բացում ճարտարապետական ​​կիրառությունների համար և միևնույն ժամանակ առաջ է բերում նոր ինժեներական մարտահրավերներ [3,4,5,6]: Թեև բարակ ապակի օգտագործող ճակատային նախագծերի ներկայիս իրականացումը սահմանափակ է, բարակ ապակին ավելի ու ավելի է օգտագործվում ինժեներական և ճարտարապետական ​​ուսումնասիրություններում: Շնորհիվ բարակ ապակու առաձգական դեֆորմացման բարձր ունակության, դրա օգտագործումը ֆասադներում պահանջում է ամրացված կառուցվածքային լուծումներ [7]: Ի լրումն կոր երկրաչափության շնորհիվ թաղանթային էֆեկտի օգտագործմանը [8], իներցիայի մոմենտը կարող է մեծանալ նաև բազմաշերտ կառուցվածքով, որը բաղկացած է պոլիմերային միջուկից և սոսնձված բարակ ապակե արտաքին թիթեղից։ Այս մոտեցումը խոստումնալից է ցույց տվել կոշտ թափանցիկ պոլիկարբոնատ միջուկի օգտագործման շնորհիվ, որն ավելի քիչ խիտ է, քան ապակին: Ի լրումն դրական մեխանիկական գործողության, պահպանվել են անվտանգության լրացուցիչ չափանիշներ [9]:
Հետևյալ ուսումնասիրության մոտեցումը հիմնված է նույն հայեցակարգի վրա, բայց օգտագործելով հավելումներով պատրաստված բաց ծակոտի կիսաթափանցիկ միջուկ: Սա երաշխավորում է երկրաչափական ազատության և դիզայնի ավելի բարձր աստիճան, ինչպես նաև շենքի ֆիզիկական գործառույթների ինտեգրում [10]: Նման կոմպոզիտային վահանակները հատկապես արդյունավետ են մեխանիկական փորձարկումներում [11] և խոստանում են նվազեցնել օգտագործվող ապակու քանակը մինչև 80%: Սա ոչ միայն կնվազեցնի պահանջվող ռեսուրսները, այլև զգալիորեն կնվազեցնի վահանակների քաշը, դրանով իսկ բարձրացնելով ենթակառուցվածքի արդյունավետությունը: Բայց շինարարության նոր ձևերը պահանջում են արտադրության նոր ձևեր։ Արդյունավետ կառույցները պահանջում են արդյունավետ արտադրական գործընթացներ: Թվային դիզայնը նպաստում է թվային արտադրությանը: Այս հոդվածը շարունակում է հեղինակի նախորդ հետազոտությունը՝ ներկայացնելով արդյունաբերական ռոբոտների համար բարակ ապակյա կոմպոզիտային վահանակների թվային արտադրության գործընթացի ուսումնասիրությունը: Հիմնական ուշադրությունը կենտրոնացված է առաջին լայնաֆորմատ նախատիպերի ֆայլից գործարան աշխատանքային հոսքի թվայնացման վրա՝ արտադրական գործընթացի ավտոմատացումը մեծացնելու համար:
Կոմպոզիտային վահանակը (Նկար 1) բաղկացած է երկու բարակ ապակե ծածկույթներից, որոնք փաթաթված են AM պոլիմերային միջուկի շուրջ: Երկու մասերը միացված են սոսինձով։ Այս դիզայնի նպատակն է բեռը հնարավորինս արդյունավետ բաշխել ամբողջ հատվածի վրա: Ճկման պահերը պատյանում նորմալ լարումներ են ստեղծում: Կողմնակի ուժերը առաջացնում են կտրվածքային լարումներ միջուկի և կպչուն հոդերի մեջ:
Սենդվիչ կառուցվածքի արտաքին շերտը պատրաստված է բարակ ապակուց։ Սկզբունքորեն կօգտագործվի սոդա-կրաքարի սիլիկատային ապակի։ Թիրախային հաստությամբ < 2 մմ, ջերմային կոփման գործընթացը հասնում է ներկայիս տեխնոլոգիական սահմանին: Քիմիապես ամրացված ալյումինոսիլիկատային ապակին կարող է հատկապես հարմար համարվել, եթե դիզայնի (օրինակ՝ սառը ծալված վահանակներ) կամ օգտագործման շնորհիվ պահանջվում է ավելի բարձր ամրություն [12]: Լույսի փոխանցման և շրջակա միջավայրի պաշտպանության գործառույթները կլրացվեն լավ մեխանիկական հատկություններով, ինչպիսիք են լավ քերծվածքային դիմադրությունը և Յանգի համեմատաբար բարձր մոդուլը, համեմատած կոմպոզիտներում օգտագործվող այլ նյութերի հետ: Քիմիապես կոշտացած բարակ ապակու համար հասանելի սահմանափակ չափերի պատճառով առաջին լայնածավալ նախատիպը ստեղծելու համար օգտագործվել են ամբողջությամբ կարգավորված 3 մմ հաստությամբ սոդա-կրաքարային ապակու վահանակներ:
Աջակցող կառուցվածքը համարվում է կոմպոզիտային վահանակի ձևավորված մաս: Գրեթե բոլոր ատրիբուտները ազդում են դրա վրա: Հավելումների արտադրության մեթոդի շնորհիվ այն նաև հանդիսանում է թվային արտադրության գործընթացի կենտրոնը։ Թերմոպլաստիկները մշակվում են միաձուլման միջոցով։ Սա հնարավորություն է տալիս օգտագործել մեծ քանակությամբ տարբեր պոլիմերներ հատուկ ծրագրերի համար: Հիմնական տարրերի տոպոլոգիան կարող է նախագծվել տարբեր շեշտադրումներով՝ կախված դրանց գործառույթից։ Այդ նպատակով ձևի ձևավորումը կարելի է բաժանել հետևյալ չորս նախագծային կատեգորիաների՝ կառուցվածքային ձևավորում, ֆունկցիոնալ ձևավորում, էսթետիկ ձևավորում և արտադրական ձևավորում: Յուրաքանչյուր կատեգորիա կարող է ունենալ տարբեր նպատակներ, որոնք կարող են հանգեցնել տարբեր տոպոլոգիաների:
Նախնական ուսումնասիրության ընթացքում որոշ հիմնական նմուշներ փորձարկվել են դրանց նախագծման համապատասխանության համար [11]: Մեխանիկական տեսանկյունից հատկապես արդյունավետ է գիրոսկոպի երեք շրջանի նվազագույն միջուկային մակերեսը: Սա ապահովում է բարձր մեխանիկական դիմադրություն ճկման նկատմամբ համեմատաբար ցածր նյութի սպառման դեպքում: Մակերեւութային շրջաններում վերարտադրված բջջային հիմնական կառուցվածքներից բացի, տոպոլոգիան կարող է ստեղծվել նաև այլ ձևերի հայտնաբերման տեխնիկայի միջոցով: Սթրեսային գծի ստեղծումը հնարավոր միջոցներից մեկն է հնարավորինս նվազագույն քաշի դեպքում կոշտության օպտիմալացման համար [13]: Սակայն սենդվիչ կոնստրուկցիաներում լայնորեն կիրառվող մեղրախորիսխ կառուցվածքը օգտագործվել է որպես արտադրական գծի զարգացման ելակետ։ Այս հիմնական ձևը հանգեցնում է արտադրության արագ առաջընթացի, հատկապես հեշտ գործիքային ծրագրավորման միջոցով: Նրա վարքագիծը կոմպոզիտային վահանակներում լայնորեն ուսումնասիրվել է [14, 15, 16] և արտաքին տեսքը կարող է փոխվել բազմաթիվ առումներով պարամետրացման միջոցով և կարող է օգտագործվել նաև նախնական օպտիմալացման հայեցակարգերի համար:
Կան բազմաթիվ ջերմապլաստիկ պոլիմերներ, որոնք պետք է հաշվի առնել պոլիմեր ընտրելիս՝ կախված օգտագործվող արտամղման գործընթացից: Փոքրածավալ նյութերի նախնական նախնական ուսումնասիրությունները նվազեցրել են պոլիմերների քանակը, որոնք հարմար են համարվում ճակատներում օգտագործելու համար [11]: Պոլիկարբոնատը (PC) խոստումնալից է իր ջերմակայունության, ուլտրամանուշակագույն ճառագայթման դիմադրության և բարձր կոշտության շնորհիվ: Պոլիկարբոնատի մշակման համար պահանջվող լրացուցիչ տեխնիկական և ֆինանսական ներդրումների շնորհիվ առաջին նախատիպերի արտադրության համար օգտագործվել է էթիլեն գլիկոլի ձևափոխված պոլիէթիլենտերեֆտալատ (PETG): Հատկապես հեշտ է մշակել համեմատաբար ցածր ջերմաստիճաններում՝ ջերմային սթրեսի և բաղադրիչի դեֆորմացիայի ցածր ռիսկով: Այստեղ ներկայացված նախատիպը պատրաստված է վերամշակված PETG-ից, որը կոչվում է PIPG: Նյութը նախապես չորացվել է 60°C ջերմաստիճանում առնվազն 4 ժամ և վերամշակվել է հատիկների մեջ՝ 20% ապակե մանրաթելի պարունակությամբ [17]:
Սոսինձը ամուր կապ է ապահովում պոլիմերային միջուկի կառուցվածքի և բարակ ապակե կափարիչի միջև: Երբ կոմպոզիտային վահանակները ենթարկվում են ճկման բեռների, կպչուն հոդերը ենթարկվում են կտրվածքային սթրեսի: Հետևաբար, նախընտրելի է ավելի կոշտ սոսինձ, որը կարող է նվազեցնել շեղումը: Մաքուր սոսինձները նաև օգնում են ապահովել բարձր տեսողական որակ, երբ կապվում են թափանցիկ ապակու հետ: Սոսինձ ընտրելիս մեկ այլ կարևոր գործոն է արտադրական լինելը և ավտոմատացված արտադրական գործընթացներին ինտեգրվելը: Այստեղ ուլտրամանուշակագույնով ամրացնող սոսինձները ճկուն ամրացման ժամանակներով կարող են զգալիորեն պարզեցնել ծածկույթի շերտերի դիրքը: Նախնական փորձարկումների հիման վրա մի շարք սոսինձներ փորձարկվել են բարակ ապակյա կոմպոզիտային վահանակների համար դրանց համապատասխանության համար [18]: Loctite® AA 3345™ ուլտրամանուշակագույն բուժվող ակրիլատը [19] պարզվեց, որ հատկապես հարմար է հետևյալ գործընթացի համար.
Հավելումների արտադրության հնարավորություններից և բարակ ապակու ճկունությունից օգտվելու համար ամբողջ գործընթացը մշակվել է թվային և պարամետրային աշխատելու համար: Grasshopper-ը օգտագործվում է որպես տեսողական ծրագրավորման ինտերֆեյս՝ խուսափելով տարբեր ծրագրերի միջերեսներից։ Բոլոր առարկաները (ճարտարագիտություն, ճարտարագիտություն և արտադրություն) կաջակցեն և կլրացնեն միմյանց մեկ ֆայլում՝ օպերատորի անմիջական արձագանքով: Ուսումնասիրության այս փուլում աշխատանքային հոսքը դեռ մշակման փուլում է և հետևում է Նկար 2-ում ներկայացված օրինակին: Տարբեր նպատակները կարող են խմբավորվել ըստ առարկաների կատեգորիաների:
Թեև այս փաստաթղթում սենդվիչ վահանակների արտադրությունը ավտոմատացված է օգտատերերի վրա հիմնված նախագծման և արտադրության պատրաստման միջոցով, առանձին ինժեներական գործիքների ինտեգրումն ու վավերացումը լիովին չի իրականացվել: Ելնելով ճակատային երկրաչափության պարամետրիկ ձևավորումից՝ հնարավոր է նախագծել շենքի արտաքին թաղանթը մակրոմակարդակով (ֆասադ) և մեզո (ֆասադային վահանակներ): Երկրորդ քայլում ինժեներական հետադարձ կապը նպատակ ունի գնահատել վարագույրների պատերի պատրաստման անվտանգությունն ու համապատասխանությունը, ինչպես նաև կենսունակությունը: Ի վերջո, ստացված վահանակները պատրաստ են թվային արտադրության: Ծրագիրը մշակում է մշակված հիմնական կառուցվածքը մեքենայաընթեռնելի G կոդի մեջ և պատրաստում այն ​​հավելումների արտադրության, հանման հետմշակման և ապակու միացման համար:
Դիզայնի գործընթացը դիտարկվում է երկու տարբեր մակարդակներում: Բացի այն, որ ճակատների մակրո ձևը ազդում է յուրաքանչյուր կոմպոզիտային վահանակի երկրաչափության վրա, միջուկի տոպոլոգիան կարող է նախագծվել նաև մեզո մակարդակում: Ճակատային պարամետրային մոդել օգտագործելիս ձևի և տեսքի վրա կարող են ազդել ճակատային հատվածների օրինակները՝ օգտագործելով Նկար 3-ում ցուցադրված սահիկները: Այսպիսով, ընդհանուր մակերեսը բաղկացած է օգտագործողի կողմից սահմանված մասշտաբավոր մակերեսից, որը կարող է դեֆորմացվել՝ օգտագործելով կետային գրավիչները և փոփոխվել՝ նշելով դեֆորմացիայի նվազագույն և առավելագույն աստիճանը. Սա ապահովում է բարձր ճկունություն շենքերի ծրարների նախագծման մեջ: Այնուամենայնիվ, ազատության այս աստիճանը սահմանափակվում է տեխնիկական և արտադրական սահմանափակումներով, որոնք այնուհետև խաղում են ինժեներական մասի ալգորիթմներով:
Բացի ամբողջ ճակատի բարձրությունից և լայնությունից, որոշվում է ճակատային վահանակների բաժանումը: Ինչ վերաբերում է առանձին ճակատային վահանակներին, ապա դրանք կարող են ավելի ճշգրիտ սահմանվել մեզո մակարդակում: Սա ազդում է բուն հիմնական կառուցվածքի տոպոլոգիայի վրա, ինչպես նաև ապակու հաստության վրա: Այս երկու փոփոխականները, ինչպես նաև վահանակի չափը, կարևոր կապ ունեն մեքենաշինական մոդելավորման հետ: Ամբողջ մակրո և մեսո մակարդակի նախագծումը և զարգացումը կարող է իրականացվել օպտիմալացման տեսանկյունից՝ կառուցվածքի, գործառույթի, գեղագիտության և արտադրանքի ձևավորման չորս կատեգորիաներում: Օգտագործողները կարող են զարգացնել շենքի ծրարի ընդհանուր տեսքն ու զգացողությունը՝ առաջնահերթություն տալով այս տարածքներին:
Նախագծին աջակցում է ինժեներական մասը՝ օգտագործելով հետադարձ կապը: Այդ նպատակով նպատակները և սահմանային պայմանները սահմանվում են Նկար 2-ում ներկայացված օպտիմալացման կատեգորիայում: Դրանք ապահովում են միջանցքներ, որոնք տեխնիկապես հնարավոր է, ֆիզիկապես առողջ և անվտանգ են կառուցելու ինժեներական տեսանկյունից, ինչը էական ազդեցություն ունի նախագծման վրա: Սա մեկնարկային կետ է տարբեր գործիքների համար, որոնք կարող են ուղղակիորեն ինտեգրվել Grasshopper-ին: Հետագա հետազոտություններում մեխանիկական հատկությունները կարող են գնահատվել վերջավոր տարրերի վերլուծության (FEM) կամ նույնիսկ վերլուծական հաշվարկների միջոցով:
Բացի այդ, արևային ճառագայթման ուսումնասիրությունները, տեսադաշտի վերլուծությունը և արևի լույսի տևողության մոդելավորումը կարող են գնահատել կոմպոզիտային վահանակների ազդեցությունը շենքերի ֆիզիկայի վրա: Կարևոր է չսահմանափակել նախագծման գործընթացի արագությունը, արդյունավետությունը և ճկունությունը: Որպես այդպիսին, այստեղ ձեռք բերված արդյունքները նախագծված են նախագծման գործընթացին լրացուցիչ ուղեցույց և աջակցություն տրամադրելու համար և չեն փոխարինում նախագծման գործընթացի վերջում մանրամասն վերլուծություններին և հիմնավորումներին: Այս ռազմավարական ծրագիրը հիմք է դնում ապացուցված արդյունքների հետագա կատեգորիկ հետազոտությունների համար: Օրինակ, դեռ քիչ բան է հայտնի կոմպոզիտային վահանակների մեխանիկական վարքագծի մասին տարբեր ծանրաբեռնվածության և աջակցության պայմաններում:
Դիզայնը և ճարտարագիտությունն ավարտվելուց հետո մոդելը պատրաստ է թվային արտադրության: Արտադրական գործընթացը բաժանված է չորս ենթափուլերի (նկ. 4): Նախ, հիմնական կառուցվածքը հավելյալ ձևով պատրաստվեց՝ օգտագործելով լայնածավալ ռոբոտային 3D տպագրության սարք: Այնուհետև մակերեսը աղացվում է՝ օգտագործելով նույն ռոբոտային համակարգը՝ լավ կապելու համար անհրաժեշտ մակերեսի որակը բարելավելու համար: Ֆրեզերացումից հետո սոսինձը կիրառվում է միջուկի կառուցվածքի երկայնքով՝ օգտագործելով հատուկ մշակված դոզավորման համակարգ, որը տեղադրված է նույն ռոբոտային համակարգի վրա, որն օգտագործվում է տպագրության և ֆրեզերային գործընթացի համար: Ի վերջո, ապակին տեղադրվում և դրվում է մինչև ուլտրամանուշակագույն ճառագայթման ամրացված հանգույցը:
Հավելումների արտադրության համար հիմքում ընկած կառուցվածքի սահմանված տոպոլոգիան պետք է թարգմանվի CNC մեքենայի լեզվով (GCode): Միատեսակ և բարձրորակ արդյունքների համար նպատակն է տպել յուրաքանչյուր շերտ առանց էքստրուդերի վարդակն ընկնելու: Սա կանխում է անցանկալի գերճնշումը շարժման սկզբում և վերջում: Հետևաբար, օգտագործվող բջջային օրինաչափության համար գրվել է շարունակական հետագծի ստեղծման սցենար: Սա կստեղծի պարամետրային շարունակական պոլիգիծ՝ նույն սկզբի և վերջի կետերով, որը հարմարվում է ընտրված վահանակի չափին, մեղրախացերի քանակին և չափին՝ ըստ դիզայնի: Բացի այդ, հիմնական կառուցվածքի ցանկալի բարձրությանը հասնելու համար տողեր դնելուց առաջ կարող են սահմանվել այնպիսի պարամետրեր, ինչպիսիք են գծի լայնությունը և գծի բարձրությունը: Սցենարում հաջորդ քայլը G-code հրամանները գրելն է:
Դա արվում է գծի յուրաքանչյուր կետի կոորդինատները գրանցելով մեքենայի լրացուցիչ տեղեկություններով, ինչպիսիք են դիրքավորման և արտամղման ծավալի վերահսկման այլ համապատասխան առանցքները: Ստացված G ծածկագիրը կարող է այնուհետև փոխանցվել արտադրական մեքենաներին: Այս օրինակում Comau NJ165 արդյունաբերական ռոբոտի թեւը գծային ռելսի վրա օգտագործվում է CEAD E25 էքստրուդատորը կառավարելու համար՝ համաձայն G կոդի (Նկար 5): Առաջին նախատիպն օգտագործել է հետինդուստրիալ PETG՝ 20% ապակե մանրաթելի պարունակությամբ։ Մեխանիկական փորձարկման առումով թիրախային չափը մոտ է շինարարական արդյունաբերության չափերին, ուստի հիմնական տարրի չափերը 1983 × 876 մմ են 6 × 4 բջիջներով: 6 մմ և 2 մմ բարձրություն:
Նախնական փորձարկումները ցույց են տվել, որ սոսինձի ուժի տարբերություն կա սոսինձի և 3D տպագրության խեժի միջև՝ կախված դրա մակերեսային հատկություններից: Դա անելու համար հավելանյութերի արտադրության փորձանմուշները սոսնձված կամ շերտավորվում են ապակու վրա և ենթարկվում ձգման կամ կտրվածքի: Պոլիմերային մակերեսի նախնական մեխանիկական մշակման ժամանակ ֆրեզման եղանակով ամրությունը զգալիորեն ավելացել է (նկ. 6): Բացի այդ, այն բարելավում է միջուկի հարթությունը և կանխում է ավելորդ արտամղման հետևանքով առաջացած թերությունները: Այստեղ օգտագործվող ուլտրամանուշակագույն ճառագայթմամբ բուժվող LOCTITE® AA 3345™ [19] ակրիլատը զգայուն է մշակման պայմանների նկատմամբ:
Սա հաճախ հանգեցնում է ավելի բարձր ստանդարտ շեղման կապի փորձարկման նմուշների համար: Հավելանյութի արտադրությունից հետո միջուկի կառուցվածքը աղացվեց պրոֆիլային ֆրեզերային մեքենայի վրա: Այս գործողության համար պահանջվող G կոդը ավտոմատ կերպով ստեղծվում է 3D տպագրության գործընթացի համար արդեն ստեղծված գործիքուղիներից: Միջուկի կառուցվածքը պետք է տպվի միջուկի նախատեսված բարձրությունից մի փոքր ավելի բարձր: Այս օրինակում 18 մմ հաստությամբ միջուկի կառուցվածքը կրճատվել է մինչև 14 մմ:
Արտադրական գործընթացի այս հատվածը մեծ մարտահրավեր է լիարժեք ավտոմատացման համար: Սոսինձների օգտագործումը մեծ պահանջներ է դնում մեքենաների ճշգրտության և ճշգրտության վրա: Օդաճնշական դոզավորման համակարգը օգտագործվում է սոսինձը միջուկի կառուցվածքի երկայնքով քսելու համար: Այն ուղղորդվում է ռոբոտի կողմից ֆրեզերային մակերևույթի երկայնքով՝ սահմանված գործիքի ուղու համաձայն: Պարզվում է, որ ավանդական բաժանման ծայրը խոզանակով փոխարինելը հատկապես ձեռնտու է։ Սա թույլ է տալիս ցածր մածուցիկությամբ սոսինձները միատեսակ տարածել ըստ ծավալի: Այս գումարը որոշվում է համակարգում ճնշմամբ և ռոբոտի արագությամբ: Ավելի մեծ ճշգրտության և կապի բարձր որակի համար նախընտրելի են 200-ից 800 մմ/րոպե ցածր արագությունները:
1500 մՊա*վ միջին մածուցիկությամբ ակրիլատը կիրառվել է 6 մմ լայնությամբ պոլիմերային միջուկի պատի վրա՝ օգտագործելով 0,84 մմ ներքին տրամագծով և 5 խոզանակի լայնությամբ 0,3-ից 0,6 մբար կիրառական ճնշման դեպքում չափիչ խոզանակ: մմ Այնուհետև սոսինձը տարածվում է հիմքի մակերեսի վրա և մակերեսային լարվածության պատճառով կազմում է 1 մմ հաստությամբ շերտ: Սոսինձի հաստության ճշգրիտ որոշումը դեռ չի կարող ավտոմատացվել: Գործընթացի տեւողությունը կարեւոր չափանիշ է սոսինձ ընտրելու համար: Այստեղ արտադրված հիմնական կառուցվածքը ունի 26 մ երկարություն, հետևաբար կիրառման ժամանակը 30-ից 60 րոպե:
Սոսինձը քսելուց հետո տեղադրեք կրկնակի ապակեպատ պատուհանը տեղում: Նյութի ցածր հաստության պատճառով բարակ ապակին արդեն խիստ դեֆորմացված է սեփական քաշից և, հետևաբար, պետք է հնարավորինս հավասարաչափ տեղադրվի: Դրա համար օգտագործվում են օդաճնշական ապակյա ներծծող բաժակներ՝ ժամանակով ցրված ներծծող բաժակներով։ Այն տեղադրվում է բաղադրիչի վրա՝ օգտագործելով կռունկ, իսկ ապագայում կարող է տեղադրվել անմիջապես ռոբոտների միջոցով։ Ապակե ափսեը տեղադրվել է միջուկի մակերեսին զուգահեռ կպչուն շերտի վրա։ Ավելի թեթև քաշի շնորհիվ լրացուցիչ ապակե թիթեղը (4-ից 6 մմ հաստությամբ) մեծացնում է ճնշումը դրա վրա:
Արդյունքը պետք է լինի ապակու մակերեսի ամբողջական թրջումը միջուկի կառուցվածքի երկայնքով, ինչպես կարելի է դատել տեսանելի գունային տարբերությունների նախնական տեսողական ստուգումից: Կիրառման գործընթացը կարող է նաև զգալի ազդեցություն ունենալ վերջնական կապակցված հոդերի որակի վրա: Կպչելուց հետո ապակե վահանակները չպետք է տեղափոխվեն, քանի որ դա կհանգեցնի ապակու վրա տեսանելի սոսինձի մնացորդի և իրական սոսնձի շերտի թերությունների: Ի վերջո, սոսինձը բուժվում է ուլտրամանուշակագույն ճառագայթմամբ 365 նմ ալիքի երկարությամբ: Դա անելու համար 6 մՎտ/սմ2 հզորության խտությամբ ուլտրամանուշակագույն լամպը աստիճանաբար 60 վրկ անցնում է սոսնձի ամբողջ մակերեսով:
Թեթև և հարմարեցված բարակ ապակյա կոմպոզիտային վահանակների հայեցակարգը, որը քննարկվում է այստեղ, որը քննարկվում է հավելումներով պատրաստված պոլիմերային միջուկով, նախատեսված է ապագա ճակատներում օգտագործելու համար: Այսպիսով, կոմպոզիտային վահանակները պետք է համապատասխանեն կիրառելի ստանդարտներին և համապատասխանեն ծառայության սահմանային վիճակների (SLS), վերջնական ամրության սահմանային վիճակների (ULS) և անվտանգության պահանջներին: Հետևաբար, կոմպոզիտային վահանակները պետք է լինեն անվտանգ, ամուր և բավականաչափ կոշտ՝ դիմակայելու բեռներին (օրինակ՝ մակերեսային բեռներին)՝ առանց կոտրվելու կամ ավելորդ դեֆորմացիայի: Նախկինում պատրաստված բարակ ապակյա կոմպոզիտային վահանակների մեխանիկական արձագանքը ուսումնասիրելու համար (ինչպես նկարագրված է Մեխանիկական փորձարկում բաժնում), դրանք ենթարկվել են քամու բեռի փորձարկումների, ինչպես նկարագրված է հաջորդ ենթաբաժնում:
Ֆիզիկական փորձարկման նպատակն է ուսումնասիրել արտաքին պատերի կոմպոզիտային վահանակների մեխանիկական հատկությունները քամու բեռների տակ: Այդ նպատակով, կոմպոզիտային պանելները, որոնք բաղկացած են 3 մմ հաստությամբ, լրիվ ապակու արտաքին թիթեղից և 14 մմ հաստությամբ հավելումներով պատրաստված միջուկից (PIPG-GF20-ից) պատրաստվել են, ինչպես նկարագրված է վերևում՝ օգտագործելով Henkel Loctite AA 3345 սոսինձը (ձախ 7-րդ նկարը): )): . Այնուհետև կոմպոզիտային վահանակները կցվում են փայտե աջակցության շրջանակին մետաղական պտուտակներով, որոնք մղվում են փայտե շրջանակի միջով և դեպի հիմնական կառուցվածքի կողմերը: Վահանակի պարագծի շուրջը տեղադրվել են 30 պտուտակներ (տե՛ս Նկար 7-ի ձախ կողմում գտնվող սև գիծը), որպեսզի հնարավորինս սերտորեն վերարտադրեն գծային աջակցության պայմանները պարագծի շուրջ:
Փորձարկման շրջանակն այնուհետև փակվեց արտաքին փորձարկման պատի վրա՝ կիրառելով քամու ճնշում կամ քամու ներծծում կոմպոզիտային վահանակի հետևում (Նկար 7, վերևի աջ կողմում): Թվային հարաբերակցության համակարգ (DIC) օգտագործվում է տվյալների գրանցման համար: Դա անելու համար կոմպոզիտային վահանակի արտաքին ապակին ծածկված է բարակ առաձգական թերթիկով, որը տպված է դրա վրա մարգարտյա աղմուկի նախշով (նկ. 7, ներքևի աջ): DIC-ն օգտագործում է երկու տեսախցիկ՝ ամբողջ ապակու մակերեսի վրա բոլոր չափման կետերի հարաբերական դիրքը գրանցելու համար: Գրանցվել է վայրկյանում երկու պատկեր և օգտագործվել գնահատման համար: Ճնշումը խցիկում, որը շրջապատված է կոմպոզիտային վահանակներով, օդափոխիչի միջոցով ավելանում է 1000 Պա բարձրացումներով մինչև 4000 Պա առավելագույն արժեք, այնպես որ յուրաքանչյուր բեռնվածքի մակարդակը պահպանվում է 10 վայրկյան:
Փորձի ֆիզիկական կարգավորումը նույնպես ներկայացված է նույն երկրաչափական չափսերով թվային մոդելով: Դրա համար օգտագործվում է Ansys Mechanical թվային ծրագիրը։ Միջուկի կառուցվածքը երկրաչափական ցանց էր՝ օգտագործելով SOLID 185 վեցանկյուն տարրեր՝ 20 մմ կողերով ապակու համար և SOLID 187 քառանիստ տարրեր՝ 3 մմ կողմերով: Մոդելավորումը պարզեցնելու համար, ուսումնասիրության այս փուլում, այստեղ ենթադրվում է, որ օգտագործվող ակրիլատը իդեալականորեն կոշտ և բարակ է և սահմանվում է որպես կոշտ կապ ապակու և միջուկի նյութի միջև:
Կոմպոզիտային պանելները ուղիղ գծով ամրացվում են միջուկից դուրս, և ապակե վահանակը ենթարկվում է 4000 Պա մակերեսային ճնշման բեռի: Թեև մոդելավորման ժամանակ հաշվի են առնվել երկրաչափական ոչ գծայինությունները, այս փուլում օգտագործվել են միայն գծային նյութերի մոդելներ: ուսումնասիրություն. Թեև սա հիմնավոր ենթադրություն է ապակու գծային առաձգական արձագանքի համար (E = 70,000 ՄՊա), ըստ (viscoelastic) պոլիմերային միջուկի նյութի արտադրողի տվյալների թերթիկի [17], գծային կոշտությունը E = 8245 ՄՊա օգտագործվել է. ընթացիկ վերլուծությունը պետք է խստորեն դիտարկվի և կուսումնասիրվի հետագա հետազոտություններում:
Այստեղ ներկայացված արդյունքները գնահատվում են հիմնականում մինչև 4000 Պա (=ˆ4 kN/m2) քամու առավելագույն բեռների դեպքում դեֆորմացիաների համար: Դրա համար DIC մեթոդով գրանցված պատկերները համեմատվել են թվային մոդելավորման (FEM) արդյունքների հետ (նկ. 8, ներքևի աջ): Մինչ FEM-ում հաշվարկվում է 0 մմ իդեալական գծային հենարաններով 0 մմ եզրային հատվածում (այսինքն՝ վահանակի պարագծով), DIC-ը գնահատելիս պետք է հաշվի առնել եզրային շրջանի ֆիզիկական տեղաշարժը: Դա պայմանավորված է տեղադրման հանդուրժողականությամբ և փորձարկման շրջանակի և դրա կնիքների դեֆորմացմամբ: Համեմատության համար նշենք, որ եզրային հատվածում միջին տեղաշարժը (գծանշված սպիտակ գիծ Նկար 8-ում) հանվել է վահանակի կենտրոնում գտնվող առավելագույն տեղաշարժից: DIC-ով և FEA-ով որոշված ​​տեղաշարժերը համեմատվում են Աղյուսակ 1-ում և գրաֆիկական կերպով ցուցադրված են Նկար 8-ի վերին ձախ անկյունում:
Փորձարարական մոդելի չորս կիրառական բեռնվածության մակարդակները օգտագործվել են որպես գնահատման վերահսկման կետեր և գնահատվել են FEM-ում: Կոմպոզիտային ափսեի առավելագույն կենտրոնական տեղաշարժը բեռնաթափված վիճակում որոշվել է DIC չափումներով 4000 Պա բեռի մակարդակով 2,18 մմ: Թեև FEA-ի տեղաշարժերը ավելի ցածր բեռների դեպքում (մինչև 2000 Պա) դեռևս կարող են ճշգրիտ վերարտադրել փորձարարական արժեքները, ավելի բարձր բեռների դեպքում լարման ոչ գծային աճը չի կարող ճշգրիտ հաշվարկվել:
Այնուամենայնիվ, ուսումնասիրությունները ցույց են տվել, որ կոմպոզիտային վահանակները կարող են դիմակայել ծայրահեղ քամու բեռներին: Հատկապես առանձնանում է թեթև պանելների բարձր կոշտությունը։ Կիրխհոֆ թիթեղների [20] գծային տեսության վրա հիմնված անալիտիկ հաշվարկների միջոցով 2,18 մմ դեֆորմացիան 4000 Պա-ում համապատասխանում է 12 մմ հաստությամբ մեկ ապակե ափսեի դեֆորմացիային նույն սահմանային պայմաններում։ Արդյունքում, այս կոմպոզիտային վահանակում ապակու հաստությունը (որն արտադրվում է էներգիայի ինտենսիվությամբ) կարող է կրճատվել մինչև 2 x 3 մմ ապակու, ինչը հանգեցնում է նյութի 50% խնայողության: Վահանակի ընդհանուր քաշի նվազեցումը լրացուցիչ առավելություններ է տալիս հավաքման առումով: Մինչդեռ 30 կգ կոմպոզիտային վահանակը հեշտությամբ կարող է աշխատել երկու հոգու կողմից, ավանդական 50 կգ քաշով ապակե վահանակը անվտանգ տեղաշարժվելու համար տեխնիկական աջակցություն է պահանջում: Մեխանիկական վարքագիծը ճշգրիտ ներկայացնելու համար հետագա ուսումնասիրություններում կպահանջվեն ավելի մանրամասն թվային մոդելներ: Վերջնական տարրերի վերլուծությունը կարող է հետագայում ընդլայնվել պոլիմերների և սոսինձային կապերի մոդելավորման ավելի ընդարձակ ոչ գծային նյութերի մոդելներով:
Թվային գործընթացների զարգացումն ու կատարելագործումը առանցքային դեր է խաղում շինարարության ոլորտում տնտեսական և բնապահպանական ցուցանիշների բարելավման գործում: Բացի այդ, ճակատներում բարակ ապակու օգտագործումը խոստանում է էներգիայի և ռեսուրսների խնայողություն և նոր հնարավորություններ բացում ճարտարապետության համար: Այնուամենայնիվ, ապակու փոքր հաստության պատճառով նոր դիզայներական լուծումներ են պահանջվում ապակին պատշաճ կերպով ամրապնդելու համար: Հետևաբար, այս հոդվածում ներկայացված ուսումնասիրությունը ուսումնասիրում է բարակ ապակուց պատրաստված կոմպոզիտային վահանակների հայեցակարգը և ամրացված 3D տպագրված պոլիմերային միջուկային կառուցվածքները: Ամբողջ արտադրական գործընթացը՝ դիզայնից մինչև արտադրություն, թվայնացվել և ավտոմատացվել է: Grasshopper-ի օգնությամբ մշակվել է ֆայլից գործարան աշխատանքային հոսք, որը հնարավորություն կտա օգտագործել բարակ ապակե կոմպոզիտային վահանակներ ապագա ճակատներում:
Առաջին նախատիպի արտադրությունը ցույց տվեց ռոբոտների արտադրության իրագործելիությունն ու մարտահրավերները: Թեև հավելումների և նվազեցման արտադրությունն արդեն լավ ինտեգրված է, սոսինձի լիովին ավտոմատացված կիրառումը և հավաքումը, մասնավորապես, ներկայացնում են լրացուցիչ մարտահրավերներ, որոնք պետք է լուծվեն ապագա հետազոտություններում: Նախնական մեխանիկական փորձարկումների և հարակից վերջավոր տարրերի հետազոտման մոդելավորման միջոցով ցույց է տրվել, որ թեթև և բարակ ապակեպլաստե վահանակներն ապահովում են բավականաչափ ճկման կոշտություն իրենց նախատեսվող ճակատային կիրառությունների համար, նույնիսկ ծայրահեղ քամու ծանրաբեռնվածության պայմաններում: Հեղինակների շարունակական հետազոտությունները հետագայում կուսումնասիրեն թվային ձևով պատրաստված բարակ ապակյա կոմպոզիտային վահանակների ներուժը ճակատային կիրառությունների համար և կցուցադրեն դրանց արդյունավետությունը:
Հեղինակները ցանկանում են շնորհակալություն հայտնել այս հետազոտական ​​աշխատանքին առնչվող բոլոր աջակիցներին: Շնորհիվ EFRE SAB-ի ֆինանսավորման ծրագրի, որը ֆինանսավորվում է Եվրամիության հիմնադրամներից No. դրամաշնորհի տեսքով՝ էքստրուդատորով և ֆրեզերային սարքով մանիպուլյատոր գնելու համար ֆինանսական միջոցներ տրամադրելու համար: 100537005: Բացի այդ, AiF-ZIM-ը ճանաչվեց Glasfur3D հետազոտական ​​նախագիծը (դրամաշնորհի համարը ZF4123725WZ9) ֆինանսավորելու համար՝ համագործակցելով Glaswerkstätten Glas Ahne-ի հետ, որը նշանակալի աջակցություն է տրամադրել այս հետազոտական ​​աշխատանքին: Վերջապես, Ֆրիդրիխ Սիմենսի լաբորատորիան և նրա գործընկերները, հատկապես Ֆելիքս Հեգևալդը և ուսանողի օգնական Ջոնաթան Հոլցերը, ընդունում են պատրաստման և ֆիզիկական փորձարկման տեխնիկական աջակցությունը և իրականացումը, որոնք հիմք են հանդիսացել այս փաստաթղթի համար: