デジタル製造された薄いガラス複合ファサードパネルのプロトタイピング

Aug 20, 2023

日付: 2023 年 6 月 23 日

著者: ダニエル・ファール & クリスチャン・ルーター

ソース：建築、構造および建設、シュプリンガー

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

薄いガラスの使用により、建設業界のさまざまな追求が可能になることが期待されます。 資源のより効率的な使用による環境上の利点に加えて、建築家は薄いガラスを使用することで新たな設計の自由を期待できます。 サンドイッチ理論に基づいて、柔軟な薄いガラスを 3D プリントした連続気泡ポリマーコアと組み合わせて、非常に剛性がありながら軽量な複合要素を形成できます。 この論文では、産業用ロボットを使用した薄いガラス複合ファサードパネルのデジタル製造に関する探索的な試みを紹介します。 コンピューター支援設計 (CAD)、エンジニアリング (CAE)、製造 (CAM) を含むデジタル「工場への移動」ワークフローのアイデアを説明しています。 この調査では、デジタル分析ツールのシームレスな統合を可能にするパラメトリック設計プロセスが示されています。

さらに、このプロセスは、薄いガラス複合パネルのデジタル製造の可能性と課題を示しています。 ここでは、産業用ロボットアームによって実行される大型積層造形、機械的表面処理、接着および組立プロセスなどの部分的な生産ステップについて説明します。 最後に、複合パネルの機械的特性についての最初の洞察が実験的および数値的に調査され、表面荷重下で評価されます。 デジタル設計および製造ワークフローの一般的な概念と実験研究の結果は、さらなる形状発見および分析手法の統合、および将来の研究における広範な機械的調査の実施の背景を提供します。

デジタル製造手法により、従来のアプローチを変革し、新しい設計の可能性を提供することで生産を強化できるようになりました [1]。 従来の工法では、コスト、基本的な形状、安全性の観点から材料を過剰に使用する傾向があります。 建設を工場に移行し、モジュール式プレハブとロボット工学を使用して新しい設計アプローチを可能にすることで、安全性を損なうことなく材料を効率的に使用できます。 デジタル製造により、設計の想像力が広がり、より多様で効率的かつ野心的な形状が実現します。 設計と計算のプロセスは大部分がデジタル化されていますが、製造と組み立てのほとんどは依然として手作業による伝統的な方法で実行されています。 自由形状構造のますます複雑化に対処するために、デジタル製造プロセスの重要性がますます高まっています。 特にファサードにおいては、デザインの自由度や柔軟性の追求が着実に進んでいます。 自由形式のファサードの視覚効果に加えて、たとえば膜効果を使用することによって、より効率的な構造を作成することもできます [2]。 さらに、デジタル製造プロセスの大きな可能性は、その効率性と最適化された設計の可能性にあります。

今回の論文では、積層造形ポリマーコアと接着された薄いガラス外側シートで構成される革新的な複合ファサードパネルの設計と製造にデジタル技術をどのように使用できるかを検討しています。 薄いガラスの使用によってもたらされる新しい建築の可能性に加えて、環境的および経済的な基準は、より少ない材料を使用して建築外壁を構築するための重要な動機となっています。 気候変動、資源不足、エネルギー価格の高騰に伴い、ガラスは将来的により賢く使用される必要があります。 エレクトロニクス産業由来の厚さ 2 mm 未満の薄いガラスを使用することで、原材料の使用量を削減し、軽量なファサードを実現します。

薄いガラスの高い柔軟性により、建築用途に新たな可能性が開かれ、同様に新たな工学的課題にもつながります [3,4,5,6]。 薄いガラスを特徴とするファサードプロジェクトの実現は現在限られていますが、薄いガラスは土木工学や建築の研究にますます参入しています。 薄いガラスは弾性変形能力が高いため、ファサードに使用するには、補強のための構造的解決策が必要です [7]。 湾曲した形状 [8] による膜効果の利用に加えて、ポリマーコアと接着された薄いガラスの外側シートからなるサンドイッチ構造によって慣性モーメントを増加させることができます。 このアプローチは、ガラスよりも密度が低い固体の透明なポリカーボネートコアを使用することにより、有望な設計であることがすでに示されています。 プラスの機械的効果に加えて、さらなる安全基準もすでに達成されています[9]。