Prototipazione di pannelli per facciate compositi in vetro sottile prodotti digitalmente

Feb 19, 2024

Data: 23 giugno 2023

Autori: Daniel Pfarr e Christian Louter

Fonte:Architettura, strutture e costruzioni, Springer

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

L’uso del vetro sottile promette di consentire una varietà di attività nel settore edile. Oltre ai vantaggi ecologici derivanti da un uso più efficiente delle risorse, gli architetti possono anticipare nuove libertà di progettazione con il vetro sottile. Basandosi sulla teoria del sandwich, il vetro sottile e flessibile può essere combinato con un nucleo polimerico a celle aperte stampato in 3D per formare un elemento composito molto rigido ma leggero. Questo articolo presenta un tentativo esplorativo sulla produzione digitale di pannelli compositi per facciate in vetro sottile con un robot industriale. Spiega l’idea di un flusso di lavoro digitale “fle-to-factory” che comprende progettazione assistita da computer (CAD), ingegneria (CAE) e produzione (CAM). La ricerca mostra un processo di progettazione parametrica per consentire la perfetta integrazione degli strumenti di analisi digitale.

Inoltre, questo processo mostra le potenzialità e le sfide della produzione digitale di un pannello composito di vetro sottile. Qui vengono spiegate le fasi di produzione parziali eseguite da un braccio robotico industriale, come la produzione additiva di grande formato, la preparazione meccanica della superficie, il processo di incollaggio e assemblaggio. Infine, una prima comprensione delle proprietà meccaniche del pannello composito viene studiata sperimentalmente e numericamente e valutata sotto carico superficiale. Il concetto generale del flusso di lavoro di progettazione e produzione digitale, nonché i risultati dello studio sperimentale, forniscono le basi per l'integrazione di ulteriori metodi di ricerca e analisi della forma, nonché per l'implementazione di approfondite indagini meccaniche nella ricerca futura.

I metodi di produzione digitale ci stanno consentendo di migliorare la nostra produzione trasformando gli approcci tradizionali e fornendo nuove possibilità di progettazione [1]. I metodi di costruzione tradizionali tendono ad abusare dei materiali in termini di costi, geometrie di base e sicurezza. Spostando la costruzione nelle fabbriche, utilizzando la prefabbricazione modulare e la robotica per consentire nuovi approcci di progettazione, i materiali possono essere utilizzati in modo efficiente senza compromettere la sicurezza. La produzione digitale ci consente di espandere la nostra immaginazione progettuale, portando a geometrie più varie, efficienti e ambiziose. Mentre i processi di progettazione e calcolo sono stati in gran parte resi digitali, la produzione e l’assemblaggio vengono ancora eseguiti in gran parte in modo tradizionale utilizzando il lavoro manuale. Per far fronte alla crescente complessità delle strutture a forma libera, i processi di produzione digitale stanno diventando sempre più importanti. Soprattutto nelle facciate, la ricerca di libertà di progettazione e flessibilità è in costante crescita. Oltre all'effetto visivo delle facciate a forma libera possono anche creare strutture più efficienti, ad esempio utilizzando un effetto membrana [2]. Inoltre, un grande potenziale dei processi di produzione digitale risiede nella loro efficienza e nelle possibilità di una progettazione ottimizzata.

Il presente articolo esplora come le tecniche digitali possono essere utilizzate nella progettazione e produzione di un innovativo pannello composito per facciata costituito da un nucleo polimerico prodotto in modo additivo e fogli esterni di vetro sottili incollati mediante adesivo. Oltre alle nuove possibilità architettoniche derivanti dall’uso del vetro sottile, i criteri ecologici ed economici sono una motivazione importante per costruire involucri edilizi utilizzando meno materiale. Parallelamente al cambiamento climatico, alla scarsità di risorse e all’aumento dei prezzi dell’energia, in futuro il vetro dovrà essere utilizzato in modo più intelligente. L'utilizzo di vetro sottile, proveniente dall'industria elettronica con uno spessore inferiore a 2 mm, promette facciate leggere con un utilizzo ridotto di materie prime.

Grazie all’elevata flessibilità del vetro sottile, apre nuove possibilità per applicazioni architettoniche e porta allo stesso tempo a nuove sfide ingegneristiche [3,4,5,6]. Mentre la realizzazione di progetti di facciate con vetro sottile è attualmente limitata, il vetro sottile sta entrando sempre più nella ricerca di ingegneria civile e architettura. A causa dell’elevata capacità di deformazione elastica del vetro sottile, il suo utilizzo nelle facciate richiede soluzioni strutturali di irrigidimento [7]. Oltre a sfruttare l'effetto membrana mediante una geometria curva [8], il momento d'inerzia può essere aumentato mediante una struttura a sandwich costituita da un nucleo polimerico con sottili lastre esterne di vetro incollate. Questo approccio ha già dimostrato di essere un progetto promettente utilizzando un nucleo solido in policarbonato trasparente con una densità inferiore rispetto al vetro. Oltre agli effetti meccanici positivi sono già stati raggiunti ulteriori criteri di sicurezza [9].