Prototypage de panneaux de façade composites en verre mince fabriqués numériquement

Aug 20, 2023

Date : 23 juin 2023

Auteurs : Daniel Pfarr et Christian Louter

Source:Architecture, structures et construction, Springer

EST CE QUE JE:https://doi.org/10.1007/s44150-022-00080-7

L’utilisation de verre mince promet de permettre une variété d’activités dans l’industrie de la construction. Outre les avantages écologiques d’une utilisation plus efficace des ressources, les architectes peuvent anticiper de nouvelles libertés de conception grâce au verre fin. Basé sur la théorie du sandwich, le verre mince et flexible peut être combiné avec un noyau polymère à cellules ouvertes imprimé en 3D pour former un élément composite très rigide mais léger. Cet article présente une tentative exploratoire de fabrication numérique de panneaux de façade composites en verre mince avec un robot industriel. Il explique l'idée d'un flux de travail numérique « du chantier à l'usine » qui comprend la conception assistée par ordinateur (CAO), l'ingénierie (CAE) et la fabrication (FAO). La recherche montre un processus de conception paramétrique pour permettre l’intégration transparente des outils d’analyse numérique.

De plus, ce processus montre les potentiels et les défis de la fabrication numérique d’un panneau composite en verre mince. Ici, les étapes de production partielles exécutées par un bras de robot industriel, telles que la fabrication additive grand format, la préparation mécanique des surfaces, le processus de collage et d'assemblage, sont expliquées. Enfin, un premier aperçu des propriétés mécaniques du panneau composite est étudié et évalué expérimentalement et numériquement sous charge de surface. Le concept général du flux de travail de conception et de fabrication numérique ainsi que les résultats de l'étude expérimentale fournissent le contexte pour l'intégration d'autres méthodes de recherche de forme et d'analyse ainsi que pour la mise en œuvre d'investigations mécaniques approfondies dans les recherches futures.

Les méthodes de fabrication numérique nous permettent d'améliorer notre production en transformant les approches 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 géométries de base et de sécurité. En déplaçant la construction vers les usines, en utilisant la préfabrication modulaire et la robotique pour permettre de nouvelles approches 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, conduisant à des géométries plus variées, efficaces et ambitieuses. Alors que les processus de conception et de calcul ont été largement numériques, la production et l'assemblage sont encore pour la plupart exécutés de manière traditionnelle en faisant appel à du travail manuel. Afin de faire face à la complexité croissante des structures de forme libre, les processus de fabrication numérique deviennent de plus en plus importants. Dans le domaine des façades notamment, la recherche de liberté de conception et de flexibilité ne cesse de croître. Outre l'effet visuel des façades de forme libre, elles peuvent également créer des structures plus efficaces, par exemple en utilisant un effet de membrane [2]. En outre, un grand potentiel des processus de fabrication numérique réside dans leur efficacité et leurs possibilités de conception optimisée.

L'article actuel explore comment les techniques numériques peuvent être utilisées dans la conception et la fabrication d'un panneau de façade composite innovant composé d'un noyau en polymère fabriqué de manière additive et de fines feuilles extérieures de verre collées. Outre les nouvelles possibilités architecturales résultant de l'utilisation de verre mince, les critères écologiques et économiques constituent une motivation importante pour construire des enveloppes de bâtiments en utilisant moins de matériaux. Parallèlement au changement climatique, à la raréfaction des ressources et à la hausse des prix de l’énergie, le verre devra être utilisé de manière plus intelligente à l’avenir. L'utilisation de verre fin, issu de l'industrie électronique d'une épaisseur inférieure à 2 mm, promet des façades légères avec une utilisation réduite de matières premières.

En raison de la grande flexibilité du verre mince, il ouvre de nouvelles possibilités pour les applications architecturales et conduit également à de nouveaux défis d'ingénierie [3,4,5,6]. Alors que la réalisation de projets de façades utilisant du verre mince est actuellement limitée, le verre mince entre de plus en plus dans la recherche en génie civil et en architecture. En raison de la grande capacité de déformation élastique du verre mince, son utilisation en façade nécessite des solutions structurelles pour le raidissement [7]. En plus d'utiliser un effet de membrane au moyen d'une géométrie incurvée [8], le moment d'inertie peut être augmenté au moyen d'une structure sandwich constituée d'un noyau en polymère avec de fines feuilles extérieures de verre collées. Cette approche s'est déjà révélée prometteuse en utilisant un noyau solide en polycarbonate transparent avec une densité inférieure à celle du verre. Outre les effets mécaniques positifs, d'autres critères de sécurité ont déjà été remplis [9].