ต้นแบบของแผงส่วนหน้าอาคารคอมโพสิตกระจกบางที่ประดิษฐ์ด้วยระบบดิจิทัล

การใช้กระจกบางสัญญาว่าจะตอบสนองงานต่าง ๆ ในอุตสาหกรรมการก่อสร้าง นอกเหนือจากประโยชน์ด้านสิ่งแวดล้อมจากการใช้ทรัพยากรอย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นแล้ว สถาปนิกยังสามารถใช้กระจกบาง ๆ เพื่อให้ได้อิสระในการออกแบบในระดับใหม่ ตามทฤษฎีแซนวิช กระจกบางที่ยืดหยุ่นสามารถใช้ร่วมกับแกนโพลีเมอร์เซลล์เปิดที่พิมพ์แบบ 3 มิติ เพื่อสร้างรูปร่างที่มีความแข็งแกร่งและน้ำหนักเบามาก องค์ประกอบคอมโพสิต บทความนี้นำเสนอความพยายามเชิงสำรวจในการผลิตแผงส่วนหน้ากระจกคอมโพสิตบางแบบดิจิทัลโดยใช้หุ่นยนต์อุตสาหกรรม โดยจะอธิบายแนวคิดของการแปลงขั้นตอนการทำงานของโรงงานสู่โรงงานให้เป็นดิจิทัล รวมถึงการออกแบบโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วย (CAD) วิศวกรรม (CAE) และการผลิต (CAM) การศึกษานี้แสดงให้เห็นถึงกระบวนการออกแบบพาราเมตริกที่ช่วยให้สามารถบูรณาการเครื่องมือวิเคราะห์ดิจิทัลได้อย่างราบรื่น
นอกจากนี้ กระบวนการนี้ยังแสดงให้เห็นถึงศักยภาพและความท้าทายของการผลิตแผงคอมโพสิตกระจกบางแบบดิจิทัล มีการอธิบายขั้นตอนการผลิตบางส่วนที่ดำเนินการโดยแขนหุ่นยนต์อุตสาหกรรม เช่น การผลิตแบบเติมเนื้อขนาดใหญ่ การตัดเฉือนพื้นผิว การติดกาว และกระบวนการประกอบต่างๆ ไว้ที่นี่ ในที่สุด เป็นครั้งแรกที่มีความเข้าใจอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับคุณสมบัติทางกลของแผงคอมโพสิตผ่านการศึกษาเชิงทดลองและเชิงตัวเลข และการประเมินคุณสมบัติทางกลของแผงคอมโพสิตภายใต้การรับน้ำหนักที่พื้นผิว แนวคิดโดยรวมของขั้นตอนการออกแบบและการผลิตแบบดิจิทัล รวมถึงผลลัพธ์ของการศึกษาเชิงทดลอง ถือเป็นพื้นฐานสำหรับการบูรณาการคำจำกัดความของรูปร่างและวิธีการวิเคราะห์เพิ่มเติม ตลอดจนสำหรับการดำเนินการศึกษากลไกอย่างกว้างขวางในการศึกษาในอนาคต
วิธีการผลิตแบบดิจิทัลช่วยให้เราสามารถปรับปรุงการผลิตโดยการเปลี่ยนวิธีดั้งเดิมและให้ความเป็นไปได้ในการออกแบบใหม่ [1] วิธีการสร้างแบบดั้งเดิมมีแนวโน้มที่จะใช้วัสดุมากเกินไปในแง่ของต้นทุน รูปทรงพื้นฐาน และความปลอดภัย ด้วยการเคลื่อนย้ายการก่อสร้างไปยังโรงงาน โดยใช้โครงสร้างสำเร็จรูปแบบโมดูลาร์และหุ่นยนต์เพื่อใช้วิธีการออกแบบใหม่ ทำให้สามารถใช้วัสดุได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยไม่กระทบต่อความปลอดภัย การผลิตแบบดิจิทัลช่วยให้เราขยายจินตนาการในการออกแบบของเราเพื่อสร้างรูปทรงเรขาคณิตที่หลากหลาย มีประสิทธิภาพ และทะเยอทะยานมากขึ้น แม้ว่ากระบวนการออกแบบและการคำนวณจะเปลี่ยนเป็นดิจิทัลเป็นส่วนใหญ่ แต่การผลิตและการประกอบส่วนใหญ่ยังคงทำด้วยมือด้วยวิธีดั้งเดิม เพื่อรับมือกับโครงสร้างอิสระที่ซับซ้อนมากขึ้น กระบวนการผลิตแบบดิจิทัลจึงมีความสำคัญมากขึ้น ความปรารถนาในอิสรภาพและความยืดหยุ่นในการออกแบบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเป็นเรื่องของส่วนหน้าอาคาร กำลังเติบโตอย่างต่อเนื่อง นอกเหนือจากเอฟเฟ็กต์ภาพแล้ว ด้านหน้าอาคารที่มีรูปแบบอิสระยังช่วยให้คุณสร้างโครงสร้างที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นได้ เช่น ผ่านการใช้เอฟเฟกต์เมมเบรน [2] นอกจากนี้ ศักยภาพที่ยอดเยี่ยมของกระบวนการผลิตแบบดิจิทัลยังอยู่ที่ประสิทธิภาพและความเป็นไปได้ในการเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบ
บทความนี้สำรวจว่าเทคโนโลยีดิจิทัลสามารถใช้ในการออกแบบและผลิตแผงส่วนหน้าอาคารคอมโพสิตที่เป็นนวัตกรรมใหม่ได้อย่างไร ซึ่งประกอบด้วยแกนโพลีเมอร์ประดิษฐ์แบบเติมเนื้อผ้าและแผงด้านนอกกระจกบางแบบเชื่อมติดกัน นอกเหนือจากความเป็นไปได้ทางสถาปัตยกรรมใหม่ที่เกี่ยวข้องกับการใช้กระจกบางแล้ว เกณฑ์ด้านสิ่งแวดล้อมและเศรษฐกิจยังเป็นแรงจูงใจที่สำคัญในการใช้วัสดุน้อยลงในการสร้างเปลือกอาคาร ด้วยการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ การขาดแคลนทรัพยากร และราคาพลังงานที่สูงขึ้นในอนาคต แก้วต้องใช้อย่างชาญฉลาดมากขึ้น การใช้กระจกบางที่มีความหนาน้อยกว่า 2 มม. จากอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ทำให้ส่วนหน้าอาคารสว่างขึ้นและลดการใช้วัตถุดิบ
เนื่องจากกระจกบางมีความยืดหยุ่นสูง จึงเปิดโอกาสใหม่ๆ สำหรับการใช้งานทางสถาปัตยกรรม และในขณะเดียวกันก็ก่อให้เกิดความท้าทายทางวิศวกรรมใหม่ๆ [3,4,5,6] แม้ว่าการดำเนินโครงการส่วนหน้าอาคารโดยใช้กระจกบางในปัจจุบันจะมีจำกัด แต่กระจกบางก็ถูกนำมาใช้มากขึ้นในการศึกษาด้านวิศวกรรมโยธาและสถาปัตยกรรม เนื่องจากความสามารถสูงของกระจกบางในการเปลี่ยนรูปแบบยืดหยุ่น การใช้งานในส่วนหน้าอาคารจึงจำเป็นต้องใช้โซลูชันโครงสร้างเสริม [7] นอกเหนือจากการใช้ประโยชน์จากผลกระทบของเมมเบรนเนื่องจากรูปทรงโค้งมน [8] โมเมนต์ความเฉื่อยยังสามารถเพิ่มขึ้นได้ด้วยโครงสร้างหลายชั้นซึ่งประกอบด้วยแกนโพลีเมอร์และแผ่นกระจกด้านนอกบาง ๆ ที่ติดกาว วิธีการนี้แสดงให้เห็นผลลัพธ์ที่ดีเนื่องจากการใช้แกนโพลีคาร์บอเนตที่โปร่งใสซึ่งมีความหนาแน่นน้อยกว่าแก้ว นอกเหนือจากการดำเนินการทางกลเชิงบวกแล้ว ยังเป็นไปตามเกณฑ์ความปลอดภัยเพิ่มเติมอีกด้วย [9]
แนวทางในการศึกษาต่อไปนี้ใช้แนวคิดเดียวกัน แต่ใช้แกนโปร่งแสงรูพรุนแบบเปิดที่ประดิษฐ์เพิ่มเติม สิ่งนี้รับประกันความอิสระทางเรขาคณิตและความเป็นไปได้ในการออกแบบในระดับที่สูงขึ้น เช่นเดียวกับการบูรณาการฟังก์ชั่นทางกายภาพของอาคาร [10] แผงคอมโพสิตดังกล่าวได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีประสิทธิภาพโดยเฉพาะอย่างยิ่งในการทดสอบทางกล [11] และสัญญาว่าจะลดปริมาณกระจกที่ใช้ลงได้มากถึง 80% สิ่งนี้จะไม่เพียงลดทรัพยากรที่จำเป็นเท่านั้น แต่ยังช่วยลดน้ำหนักของแผงลงอย่างมาก ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของโครงสร้างพื้นฐานอีกด้วย แต่การก่อสร้างรูปแบบใหม่จำเป็นต้องมีรูปแบบการผลิตใหม่ โครงสร้างที่มีประสิทธิภาพจำเป็นต้องมีกระบวนการผลิตที่มีประสิทธิภาพ การออกแบบดิจิทัลมีส่วนช่วยในการผลิตแบบดิจิทัล บทความนี้ต่อยอดงานวิจัยก่อนหน้าของผู้เขียนโดยนำเสนอการศึกษากระบวนการผลิตดิจิทัลของแผงคอมโพสิตกระจกบางสำหรับหุ่นยนต์อุตสาหกรรม จุดมุ่งเน้นอยู่ที่การแปลงเวิร์กโฟลว์จากไฟล์ไปยังโรงงานในรูปแบบดิจิทัลของต้นแบบขนาดใหญ่ตัวแรก เพื่อเพิ่มระบบอัตโนมัติของกระบวนการผลิต
แผงคอมโพสิต (รูปที่ 1) ประกอบด้วยแผ่นกระจกบางๆ สองแผ่นที่พันรอบแกนโพลีเมอร์ AM ทั้งสองส่วนเชื่อมต่อกันด้วยกาว จุดประสงค์ของการออกแบบนี้คือเพื่อกระจายโหลดทั่วทั้งส่วนอย่างมีประสิทธิภาพมากที่สุด โมเมนต์การโค้งงอทำให้เกิดความเค้นตามปกติในเปลือก แรงด้านข้างทำให้เกิดแรงเฉือนในแกนกลางและข้อต่อกาว
ชั้นนอกของโครงสร้างแซนด์วิชทำจากกระจกบาง โดยหลักการแล้วจะใช้แก้วซิลิเกตโซดาไลม์ ด้วยความหนาของเป้าหมาย < 2 มม. กระบวนการแบ่งเบาบรรเทาความร้อนถึงขีดจำกัดทางเทคโนโลยีในปัจจุบัน แก้วอลูมิโนซิลิเกตเสริมความแข็งแรงทางเคมีอาจได้รับการพิจารณาว่าเหมาะสมอย่างยิ่งหากจำเป็นต้องมีความแข็งแรงสูงกว่าเนื่องจากการออกแบบ (เช่น แผงพับเย็น) หรือใช้ [12] ฟังก์ชั่นการส่งผ่านแสงและการปกป้องสิ่งแวดล้อมจะได้รับการเสริมด้วยคุณสมบัติเชิงกลที่ดี เช่น ความต้านทานการขีดข่วนที่ดีและโมดูลัสของ Young ที่ค่อนข้างสูงเมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุอื่นที่ใช้ในคอมโพสิต เนื่องจากกระจกบางที่เสริมความแข็งแกร่งด้วยสารเคมีมีขนาดที่จำกัด จึงมีการใช้แผงกระจกโซดาไลม์หนา 3 มม. ที่ได้รับการปรับอุณหภูมิอย่างเต็มที่ เพื่อสร้างต้นแบบขนาดใหญ่ชิ้นแรก
โครงสร้างรองรับถือเป็นส่วนที่มีรูปร่างของแผงคอมโพสิต คุณสมบัติเกือบทั้งหมดได้รับผลกระทบจากมัน ด้วยวิธีการผลิตแบบเติมเนื้อ ทำให้เป็นศูนย์กลางของกระบวนการผลิตแบบดิจิทัลด้วย เทอร์โมพลาสติกได้รับการประมวลผลโดยการหลอมรวม ทำให้สามารถใช้โพลีเมอร์ที่แตกต่างกันจำนวนมากสำหรับการใช้งานเฉพาะได้ โทโพโลยีขององค์ประกอบหลักสามารถออกแบบได้โดยเน้นที่แตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับฟังก์ชัน เพื่อจุดประสงค์นี้ การออกแบบรูปทรงสามารถแบ่งออกเป็นประเภทการออกแบบได้สี่ประเภทดังต่อไปนี้: การออกแบบโครงสร้าง การออกแบบฟังก์ชั่น การออกแบบที่สวยงาม และการออกแบบการผลิต แต่ละหมวดหมู่สามารถมีวัตถุประสงค์ที่แตกต่างกัน ซึ่งสามารถนำไปสู่โทโพโลยีที่แตกต่างกัน
ในระหว่างการศึกษาเบื้องต้น การออกแบบหลักบางส่วนได้รับการทดสอบความเหมาะสมของการออกแบบ [11] จากมุมมองเชิงกล พื้นผิวแกนกลางขั้นต่ำสามคาบของไจโรสโคปมีประสิทธิภาพเป็นพิเศษ ซึ่งให้ความต้านทานเชิงกลสูงต่อการดัดงอโดยใช้วัสดุที่ค่อนข้างต่ำ นอกจากโครงสร้างพื้นฐานของเซลล์ที่สร้างขึ้นใหม่ในบริเวณพื้นผิวแล้ว โทโพโลยียังสามารถสร้างขึ้นโดยเทคนิคการค้นหารูปร่างอื่นๆ อีกด้วย การสร้างเส้นเค้นเป็นวิธีหนึ่งที่เป็นไปได้ในการปรับความแข็งให้เหมาะสมที่สุดที่น้ำหนักต่ำสุดที่เป็นไปได้ [13] อย่างไรก็ตาม โครงสร้างรังผึ้งซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในการก่อสร้างแซนวิช ได้ถูกนำมาใช้เป็นจุดเริ่มต้นสำหรับการพัฒนาสายการผลิต รูปแบบพื้นฐานนี้นำไปสู่ความก้าวหน้าอย่างรวดเร็วในการผลิต โดยเฉพาะอย่างยิ่งผ่านการเขียนโปรแกรมเส้นทางเครื่องมือที่ง่ายดาย พฤติกรรมของมันในแผงคอมโพสิตได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวาง [14, 15, 16] และรูปลักษณ์สามารถเปลี่ยนแปลงได้หลายวิธีผ่านการกำหนดพารามิเตอร์ และยังสามารถนำมาใช้สำหรับแนวคิดการปรับให้เหมาะสมเบื้องต้นอีกด้วย
มีโพลีเมอร์เทอร์โมพลาสติกหลายชนิดที่ต้องพิจารณาเมื่อเลือกโพลีเมอร์ ขึ้นอยู่กับกระบวนการอัดขึ้นรูปที่ใช้ การศึกษาเบื้องต้นเบื้องต้นเกี่ยวกับวัสดุขนาดเล็กได้ลดจำนวนโพลีเมอร์ที่ถือว่าเหมาะสมสำหรับใช้ในส่วนหน้าอาคาร [11] โพลีคาร์บอเนต (PC) มีแนวโน้มที่ดีเนื่องจากทนความร้อน ทนต่อรังสี UV และมีความแข็งแรงสูง เนื่องจากต้องใช้เงินลงทุนด้านเทคนิคและการเงินเพิ่มเติมในการแปรรูปโพลีคาร์บอเนต จึงมีการใช้โพลีเอทิลีนเทเรฟทาเลต (PETG) ดัดแปลงเอทิลีนไกลคอลเพื่อผลิตต้นแบบแรก ง่ายต่อการแปรรูปที่อุณหภูมิค่อนข้างต่ำโดยมีความเสี่ยงต่ำต่อความเครียดจากความร้อนและการเสียรูปของส่วนประกอบ ต้นแบบที่แสดงนี้ทำจาก PETG รีไซเคิลที่เรียกว่า PIPG วัสดุถูกทำให้แห้งเบื้องต้นที่ 60°C เป็นเวลาอย่างน้อย 4 ชั่วโมงและแปรรูปเป็นเม็ดที่มีปริมาณใยแก้ว 20% [17]
กาวให้การยึดเกาะที่แข็งแกร่งระหว่างโครงสร้างแกนโพลีเมอร์และฝาแก้วบาง ๆ เมื่อแผงคอมโพสิตต้องเผชิญกับแรงดัดงอ ข้อต่อกาวจะต้องเผชิญกับความเค้นเฉือน ดังนั้นจึงควรใช้กาวที่แข็งกว่าและอาจลดการโก่งตัวได้ กาวใสยังช่วยให้มองเห็นได้ชัดเจนเมื่อติดเข้ากับกระจกใส ปัจจัยสำคัญอีกประการหนึ่งในการเลือกกาวคือความสามารถในการผลิตและการบูรณาการเข้ากับกระบวนการผลิตแบบอัตโนมัติ กาวยูวีบ่มที่มีระยะเวลาการบ่มที่ยืดหยุ่นทำให้การวางตำแหน่งของชั้นเคลือบง่ายขึ้นอย่างมาก จากการทดสอบเบื้องต้น มีการทดสอบชุดกาวต่างๆ ว่าเหมาะสมกับแผงคอมโพสิตกระจกบาง [18] Loctite® AA 3345™ อะคริเลตที่รักษาด้วยรังสียูวี [19] ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับกระบวนการต่อไปนี้
เพื่อใช้ประโยชน์จากความเป็นไปได้ของการผลิตแบบเติมเนื้อและความยืดหยุ่นของกระจกบาง กระบวนการทั้งหมดได้รับการออกแบบให้ทำงานแบบดิจิทัลและแบบพาราเมตริก Grasshopper ถูกใช้เป็นอินเทอร์เฟซการเขียนโปรแกรมแบบเห็นภาพ เพื่อหลีกเลี่ยงอินเทอร์เฟซระหว่างโปรแกรมต่างๆ ทุกสาขาวิชา (วิศวกรรมศาสตร์ วิศวกรรมศาสตร์ และการผลิต) จะสนับสนุนและเสริมซึ่งกันและกันในไฟล์เดียวพร้อมการตอบรับโดยตรงจากผู้ปฏิบัติงาน ในขั้นตอนของการศึกษานี้ ขั้นตอนการทำงานยังอยู่ระหว่างการพัฒนาและเป็นไปตามรูปแบบที่แสดงในรูปที่ 2 วัตถุประสงค์ที่แตกต่างกันสามารถจัดกลุ่มเป็นหมวดหมู่ภายในสาขาวิชาได้
แม้ว่าการผลิตแผงแซนวิชในบทความนี้จะเป็นแบบอัตโนมัติด้วยการออกแบบและการเตรียมการผลิตที่เน้นผู้ใช้เป็นศูนย์กลาง แต่การบูรณาการและการตรวจสอบความถูกต้องของเครื่องมือทางวิศวกรรมแต่ละอย่างยังไม่เกิดขึ้นจริงอย่างสมบูรณ์ จากการออกแบบพาราเมตริกของเรขาคณิตของส่วนหน้า สามารถออกแบบเปลือกนอกของอาคารในระดับมหภาค (ส่วนหน้า) และ meso (แผงส่วนหน้า) ในขั้นตอนที่สอง วงจรป้อนกลับทางวิศวกรรมมีจุดมุ่งหมายเพื่อประเมินความปลอดภัยและความเหมาะสม ตลอดจนความเป็นไปได้ของการผลิตผนังม่าน ในที่สุด แผงผลลัพธ์ก็พร้อมสำหรับการผลิตแบบดิจิทัล โปรแกรมจะประมวลผลโครงสร้างหลักที่พัฒนาขึ้นใน G-code ที่เครื่องอ่านได้ และเตรียมโครงสร้างดังกล่าวสำหรับการผลิตแบบเติมเนื้อ กระบวนการหลังการประมวลผลแบบลบ และการเชื่อมติดแก้ว
กระบวนการออกแบบจะพิจารณาในสองระดับที่แตกต่างกัน นอกจากความจริงที่ว่ารูปร่างมาโครของส่วนหน้าจะส่งผลต่อเรขาคณิตของแผงคอมโพสิตแต่ละแผงแล้ว โทโพโลยีของแกนกลางยังสามารถออกแบบได้ที่ระดับ meso อีกด้วย เมื่อใช้แบบจำลองส่วนหน้าแบบพาราเมตริก รูปร่างและลักษณะภายนอกอาจได้รับอิทธิพลจากส่วนส่วนหน้าตัวอย่างโดยใช้แถบเลื่อนที่แสดงในรูปที่ 3 ดังนั้น พื้นผิวทั้งหมดจึงประกอบด้วยพื้นผิวที่ปรับขนาดได้ซึ่งผู้ใช้กำหนด ซึ่งสามารถเปลี่ยนรูปได้โดยใช้ตัวดึงดูดจุดและแก้ไขโดย การระบุระดับการเสียรูปขั้นต่ำและสูงสุด สิ่งนี้ให้ความยืดหยุ่นในระดับสูงในการออกแบบเปลือกอาคาร อย่างไรก็ตาม ระดับความเป็นอิสระนี้ถูกจำกัดด้วยข้อจำกัดด้านเทคนิคและการผลิต ซึ่งต่อมาจะเล่นโดยอัลกอริธึมในส่วนวิศวกรรม
นอกจากความสูงและความกว้างของส่วนหน้าอาคารทั้งหมดแล้ว ยังกำหนดการแบ่งส่วนของแผงส่วนหน้าอีกด้วย สำหรับแผงส่วนหน้าอาคารแต่ละแผง สามารถกำหนดได้แม่นยำยิ่งขึ้นที่ระดับเมโส สิ่งนี้ส่งผลต่อโทโพโลยีของโครงสร้างแกนกลางเอง เช่นเดียวกับความหนาของกระจก ตัวแปรทั้งสองนี้ รวมถึงขนาดของแผง มีความสัมพันธ์ที่สำคัญกับการสร้างแบบจำลองทางวิศวกรรมเครื่องกล การออกแบบและพัฒนาระดับมหภาคและระดับ Meso ทั้งหมดสามารถดำเนินการได้ในแง่ของการปรับให้เหมาะสมในสี่ประเภท ได้แก่ โครงสร้าง ฟังก์ชัน ความสวยงาม และการออกแบบผลิตภัณฑ์ ผู้ใช้สามารถพัฒนารูปลักษณ์โดยรวมของขอบเขตอาคารโดยการจัดลำดับความสำคัญของพื้นที่เหล่านี้
โครงการได้รับการสนับสนุนโดยส่วนวิศวกรรมโดยใช้วงจรป้อนกลับ ด้วยเหตุนี้ เป้าหมายและเงื่อนไขขอบเขตจึงถูกกำหนดไว้ในหมวดหมู่การปรับให้เหมาะสมที่แสดงในรูปที่ 2 โดยจัดให้มีทางเดินที่เป็นไปได้ทางเทคนิค แข็งแรงและปลอดภัยในการสร้างจากมุมมองทางวิศวกรรม ซึ่งมีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อการออกแบบ นี่คือจุดเริ่มต้นสำหรับเครื่องมือต่างๆ ที่สามารถรวมเข้ากับ Grasshopper ได้โดยตรง ในการตรวจสอบเพิ่มเติม สามารถประเมินคุณสมบัติทางกลได้โดยใช้การวิเคราะห์องค์ประกอบจำกัด (FEM) หรือแม้แต่การคำนวณเชิงวิเคราะห์
นอกจากนี้ การศึกษาการแผ่รังสีแสงอาทิตย์ การวิเคราะห์แนวสายตา และการสร้างแบบจำลองระยะเวลาแสงแดดสามารถประเมินผลกระทบของแผงคอมโพสิตต่อฟิสิกส์ของอาคารได้ สิ่งสำคัญคือต้องไม่จำกัดความเร็ว ประสิทธิภาพ และความยืดหยุ่นของกระบวนการออกแบบมากเกินไป ด้วยเหตุนี้ ผลลัพธ์ที่ได้รับที่นี่จึงได้รับการออกแบบเพื่อให้คำแนะนำเพิ่มเติมและสนับสนุนกระบวนการออกแบบ และไม่สามารถทดแทนการวิเคราะห์โดยละเอียดและการให้เหตุผลเมื่อสิ้นสุดกระบวนการออกแบบ แผนยุทธศาสตร์นี้วางรากฐานสำหรับการวิจัยเชิงหมวดหมู่เพิ่มเติมเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่พิสูจน์แล้ว ตัวอย่างเช่น ยังไม่ค่อยมีใครทราบเกี่ยวกับพฤติกรรมทางกลของแผงคอมโพสิตภายใต้สภาวะการรับน้ำหนักและการรองรับต่างๆ
เมื่อการออกแบบและวิศวกรรมเสร็จสิ้น โมเดลก็พร้อมสำหรับการผลิตแบบดิจิทัล กระบวนการผลิตแบ่งออกเป็นสี่ขั้นตอนย่อย (รูปที่ 4) ประการแรก โครงสร้างหลักได้รับการประดิษฐ์เพิ่มเติมโดยใช้อุปกรณ์การพิมพ์ 3 มิติด้วยหุ่นยนต์ขนาดใหญ่ จากนั้นพื้นผิวจะถูกบดโดยใช้ระบบหุ่นยนต์เดียวกันเพื่อปรับปรุงคุณภาพพื้นผิวที่จำเป็นสำหรับการยึดเกาะที่ดี หลังจากการกัด กาวจะถูกทาตามโครงสร้างแกนโดยใช้ระบบการจ่ายที่ออกแบบมาเป็นพิเศษซึ่งติดตั้งอยู่บนระบบหุ่นยนต์เดียวกับที่ใช้สำหรับกระบวนการพิมพ์และการกัด สุดท้าย กระจกจะถูกติดตั้งและปูก่อนที่จะบ่มด้วยแสง UV ของข้อต่อที่ยึดติด
สำหรับการผลิตแบบเติมเนื้อ โทโพโลยีที่กำหนดไว้ของโครงสร้างพื้นฐานจะต้องแปลเป็นภาษาเครื่อง CNC (GCode) เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่สม่ำเสมอและมีคุณภาพสูง เป้าหมายคือการพิมพ์แต่ละชั้นโดยที่หัวฉีดของเครื่องอัดรีดไม่หลุดออก วิธีนี้จะช่วยป้องกันแรงดันเกินที่ไม่พึงประสงค์ในช่วงเริ่มต้นและสิ้นสุดการเคลื่อนไหว ดังนั้นจึงมีการเขียนสคริปต์การสร้างวิถีต่อเนื่องสำหรับรูปแบบเซลล์ที่ใช้ สิ่งนี้จะสร้างเส้นหลายเส้นต่อเนื่องแบบพาราเมตริกโดยมีจุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดเดียวกัน ซึ่งจะปรับให้เข้ากับขนาดแผง จำนวน และขนาดของรวงผึ้งที่เลือกตามการออกแบบ นอกจากนี้ สามารถระบุพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น ความกว้างของเส้นและความสูงของเส้นก่อนที่จะวางเส้นเพื่อให้ได้ความสูงที่ต้องการของโครงสร้างหลัก ขั้นตอนต่อไปในสคริปต์คือการเขียนคำสั่ง G-code
ซึ่งทำได้โดยการบันทึกพิกัดของแต่ละจุดบนเส้นพร้อมกับข้อมูลเครื่องจักรเพิ่มเติม เช่น แกนอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องสำหรับการกำหนดตำแหน่งและการควบคุมปริมาตรการอัดขึ้นรูป จากนั้น G-code ที่ได้จะสามารถถ่ายโอนไปยังเครื่องจักรที่ใช้งานจริงได้ ในตัวอย่างนี้ แขนหุ่นยนต์อุตสาหกรรม Comau NJ165 บนรางเชิงเส้นถูกนำมาใช้เพื่อควบคุมเครื่องอัดรีด CEAD E25 ตามรหัส G (รูปที่ 5) ต้นแบบแรกใช้ PETG หลังอุตสาหกรรมที่มีปริมาณใยแก้ว 20% ในแง่ของการทดสอบทางกล ขนาดเป้าหมายใกล้เคียงกับขนาดของอุตสาหกรรมการก่อสร้าง ดังนั้นขนาดขององค์ประกอบหลักคือ 1983 × 876 มม. พร้อมเซลล์รังผึ้ง 6 × 4 สูง 6 มม. และ 2 มม.
การทดสอบเบื้องต้นแสดงให้เห็นว่าความแข็งแรงของกาวระหว่างกาวและเรซินการพิมพ์ 3 มิติมีความแตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของพื้นผิว เมื่อต้องการทำเช่นนี้ ชิ้นงานทดสอบการผลิตแบบเติมเนื้อจะติดกาวหรือเคลือบกับกระจก และอยู่ภายใต้แรงตึงหรือแรงเฉือน ในระหว่างการประมวลผลเชิงกลเบื้องต้นของพื้นผิวโพลีเมอร์โดยการกัด ความแข็งแรงเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ (รูปที่ 6) นอกจากนี้ยังปรับปรุงความเรียบของแกนและป้องกันข้อบกพร่องที่เกิดจากการอัดขึ้นรูปมากเกินไป อะคริเลต LOCTITE® AA 3345™ [19] ที่รักษาด้วยรังสียูวีได้ที่ใช้ในที่นี้ไวต่อสภาวะการประมวลผล
ซึ่งมักส่งผลให้ค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานสูงขึ้นสำหรับตัวอย่างทดสอบพันธะ หลังจากการผลิตแบบเติมเนื้อ โครงสร้างหลักจะถูกบดบนเครื่องกัดโปรไฟล์ G-code ที่จำเป็นสำหรับการดำเนินการนี้สร้างขึ้นโดยอัตโนมัติจากเส้นทางเครื่องมือที่สร้างไว้แล้วสำหรับกระบวนการพิมพ์ 3D โครงสร้างแกนจะต้องพิมพ์สูงกว่าความสูงของแกนที่ต้องการเล็กน้อย ในตัวอย่างนี้ โครงสร้างแกนหลักที่มีความหนา 18 มม. ลดลงเหลือ 14 มม.
กระบวนการผลิตส่วนนี้เป็นความท้าทายที่สำคัญสำหรับระบบอัตโนมัติเต็มรูปแบบ การใช้กาวทำให้เครื่องจักรมีความต้องการความแม่นยำและความเที่ยงตรงสูง ระบบจ่ายสารแบบนิวแมติกใช้ในการทากาวตามโครงสร้างแกนกลาง หุ่นยนต์จะนำทางไปตามพื้นผิวการกัดตามเส้นทางเครื่องมือที่กำหนดไว้ ปรากฎว่าการเปลี่ยนหัวจ่ายแบบดั้งเดิมด้วยแปรงนั้นมีประโยชน์อย่างยิ่ง ช่วยให้สามารถจ่ายกาวที่มีความหนืดต่ำได้สม่ำเสมอตามปริมาตร จำนวนนี้ถูกกำหนดโดยความดันในระบบและความเร็วของหุ่นยนต์ เพื่อให้ได้ความแม่นยำมากขึ้นและคุณภาพการยึดเกาะสูง ควรใช้ความเร็วการเคลื่อนที่ต่ำที่ 200 ถึง 800 มม./นาที
อะคริเลตที่มีความหนืดเฉลี่ย 1500 mPa*s ถูกนำไปใช้กับผนังของแกนโพลีเมอร์ที่มีความกว้าง 6 มม. โดยใช้แปรงสำหรับฉีดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางด้านใน 0.84 มม. และความกว้างของแปรง 5 ที่ความดันที่ใช้ 0.3 ถึง 0.6 มิลลิบาร์ มม. จากนั้นกาวจะกระจายไปทั่วพื้นผิวของพื้นผิวและสร้างชั้นหนา 1 มม. เนื่องจากแรงตึงผิว การกำหนดความหนาของกาวที่แน่นอนยังไม่สามารถดำเนินการได้โดยอัตโนมัติ ระยะเวลาของกระบวนการเป็นเกณฑ์สำคัญในการเลือกกาว โครงสร้างหลักที่ผลิตที่นี่มีความยาวราง 26 ม. ดังนั้นจึงใช้เวลาใช้งาน 30 ถึง 60 นาที
หลังจากทากาวแล้ว ให้ติดตั้งหน้าต่างกระจกสองชั้นให้เข้าที่ เนื่องจากวัสดุมีความหนาต่ำ กระจกบางจึงมีรูปร่างผิดปกติอย่างมากตามน้ำหนักของมันเอง ดังนั้นจึงต้องวางตำแหน่งให้เท่ากันที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ด้วยเหตุนี้จึงใช้ถ้วยดูดแก้วแบบนิวแมติกพร้อมถ้วยดูดแบบกระจายตามเวลา วางบนส่วนประกอบโดยใช้เครน และในอนาคตอาจวางโดยใช้หุ่นยนต์โดยตรง แผ่นกระจกถูกวางขนานกับพื้นผิวของแกนบนชั้นกาว เนื่องจากมีน้ำหนักเบา แผ่นกระจกเพิ่มเติม (หนา 4 ถึง 6 มม.) จะเพิ่มแรงกดทับ
ผลลัพธ์ควรเกิดจากการเปียกของพื้นผิวกระจกตลอดโครงสร้างแกนกลาง ดังที่สามารถตัดสินได้จากการตรวจสอบความแตกต่างของสีที่มองเห็นด้วยสายตาเบื้องต้น ขั้นตอนการสมัครยังสามารถส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อคุณภาพของข้อต่อที่ถูกยึดขั้นสุดท้าย เมื่อติดกาวแล้ว จะต้องไม่เคลื่อนย้ายแผงกระจก เนื่องจากจะส่งผลให้เกิดคราบกาวที่มองเห็นได้บนกระจกและข้อบกพร่องในชั้นกาวจริง ในที่สุดกาวก็จะถูกบ่มด้วยรังสียูวีที่ความยาวคลื่น 365 นาโนเมตร เมื่อต้องการทำเช่นนี้ หลอด UV ที่มีความหนาแน่นของพลังงาน 6 mW/cm2 จะถูกค่อยๆ ผ่านไปทั่วทั้งพื้นผิวกาวเป็นเวลา 60 วินาที
แนวคิดของแผงคอมโพสิตกระจกบางน้ำหนักเบาและปรับแต่งได้พร้อมแกนโพลีเมอร์ประดิษฐ์เพิ่มเติมที่กล่าวถึงในที่นี้มีไว้สำหรับใช้ในส่วนหน้าอาคารในอนาคต ดังนั้น แผงคอมโพสิตจะต้องเป็นไปตามมาตรฐานที่บังคับใช้ และเป็นไปตามข้อกำหนดสำหรับสถานะขีดจำกัดการบริการ (SLS) สถานะขีดจำกัดความแข็งแกร่งสูงสุด (ULS) และข้อกำหนดด้านความปลอดภัย ดังนั้น แผงคอมโพสิตจะต้องปลอดภัย แข็งแรง และแข็งพอที่จะรับน้ำหนักได้ (เช่น แรงกดบนพื้นผิว) โดยไม่แตกหักหรือเสียรูปมากเกินไป เพื่อตรวจสอบการตอบสนองทางกลของแผงคอมโพสิตกระจกบางที่เคยประดิษฐ์ขึ้นก่อนหน้านี้ (ตามที่อธิบายไว้ในส่วนการทดสอบทางกล) แผงเหล่านั้นจะต้องได้รับการทดสอบแรงลมตามที่อธิบายไว้ในส่วนย่อยถัดไป
วัตถุประสงค์ของการทดสอบทางกายภาพคือเพื่อศึกษาคุณสมบัติทางกลของแผ่นคอมโพสิตของผนังภายนอกภายใต้แรงลม ด้วยเหตุนี้ แผงคอมโพสิตที่ประกอบด้วยแผ่นด้านนอกกระจกเทมเปอร์หนา 3 มม. และแกนประดิษฐ์แบบเพิ่มความหนา 14 มม. (จาก PIPG-GF20) จึงถูกประดิษฐ์ขึ้นตามที่อธิบายไว้ข้างต้นโดยใช้กาว Henkel Loctite AA 3345 (รูปที่ 7 ซ้าย) - - จากนั้นนำแผ่นคอมโพสิตมาติดเข้ากับโครงรองรับไม้ด้วยสกรูโลหะที่ยึดผ่านโครงไม้และเข้าที่ด้านข้างของโครงสร้างหลัก วางสกรู 30 ตัวไว้รอบปริมณฑลของแผง (ดูเส้นสีดำด้านซ้ายในรูปที่ 7) เพื่อสร้างเงื่อนไขการรองรับเชิงเส้นรอบปริมณฑลให้ใกล้เคียงที่สุด
จากนั้น เฟรมทดสอบถูกปิดผนึกเข้ากับผนังทดสอบด้านนอกโดยใช้แรงดันลมหรือแรงดูดลมด้านหลังแผงคอมโพสิต (รูปที่ 7 ด้านบนขวา) ระบบสหสัมพันธ์แบบดิจิทัล (DIC) ใช้ในการบันทึกข้อมูล ในการทำเช่นนี้ กระจกด้านนอกของแผงคอมโพสิตถูกคลุมด้วยแผ่นยืดหยุ่นบาง ๆ ที่พิมพ์ไว้โดยมีรูปแบบสัญญาณรบกวนแบบมุก (รูปที่ 7 ล่างขวา) DIC ใช้กล้องสองตัวในการบันทึกตำแหน่งสัมพัทธ์ของจุดการวัดทั้งหมดบนพื้นผิวกระจกทั้งหมด สองภาพต่อวินาทีถูกบันทึกและใช้สำหรับการประเมินผล ความดันในห้องเพาะเลี้ยงที่ล้อมรอบด้วยแผงคอมโพสิต จะเพิ่มขึ้นโดยใช้พัดลมทีละ 1,000 Pa และเพิ่มเป็นค่าสูงสุด 4000 Pa เพื่อรักษาระดับการโหลดแต่ละระดับไว้เป็นเวลา 10 วินาที
การตั้งค่าทางกายภาพของการทดสอบยังแสดงด้วยแบบจำลองตัวเลขที่มีขนาดทางเรขาคณิตเหมือนกัน ในกรณีนี้จึงใช้โปรแกรมตัวเลข Ansys Mechanical โครงสร้างหลักเป็นตาข่ายทรงเรขาคณิตโดยใช้ชิ้นเลนส์หกเหลี่ยม SOLID 185 ที่มีด้านข้าง 20 มม. สำหรับกระจก และชิ้นเลนส์ทรงสี่หน้า SOLID 187 ที่มีด้านข้าง 3 มม. เพื่อให้การสร้างแบบจำลองง่ายขึ้น ในขั้นตอนของการศึกษานี้ เราสันนิษฐานว่าอะคริเลตที่ใช้มีความแข็งและบางในอุดมคติ และถูกกำหนดให้เป็นพันธะแข็งระหว่างกระจกกับวัสดุแกนกลาง
แผงคอมโพสิตได้รับการแก้ไขเป็นเส้นตรงด้านนอกแกน และแผงกระจกต้องรับแรงกดที่พื้นผิว 4000 Pa แม้ว่าการสร้างแบบจำลองทางเรขาคณิตจะคำนึงถึงความไม่เชิงเส้นตรง แต่มีเพียงแบบจำลองวัสดุเชิงเส้นเท่านั้นที่ถูกนำมาใช้ในขั้นตอนนี้ของ ศึกษา. แม้ว่านี่จะเป็นสมมติฐานที่ถูกต้องสำหรับการตอบสนองยืดหยุ่นเชิงเส้นของแก้ว (E = 70,000 MPa) ตามเอกสารข้อมูลของผู้ผลิตวัสดุแกนโพลีเมอร์ (ยืดหยุ่นหนืด) [17] แต่ความแข็งเชิงเส้น E = 8245 MPa ถูกใช้ใน การวิเคราะห์ในปัจจุบันควรได้รับการพิจารณาอย่างเข้มงวดและจะนำมาศึกษาในการวิจัยในอนาคต
ผลลัพธ์ที่นำเสนอในที่นี้ได้รับการประเมินส่วนใหญ่สำหรับการเสียรูปที่แรงลมสูงสุดถึง 4000 Pa (=ˆ4kN/m2) สำหรับสิ่งนี้ ภาพที่บันทึกโดยวิธี DIC จะถูกนำมาเปรียบเทียบกับผลลัพธ์ของการจำลองเชิงตัวเลข (FEM) (รูปที่ 8 ล่างขวา) แม้ว่าค่าความเครียดรวมในอุดมคติ 0 มม. พร้อมด้วยส่วนรองรับเชิงเส้น “ในอุดมคติ” ในบริเวณขอบ (เช่น เส้นรอบวงแผง) จะถูกคำนวณใน FEM แต่จะต้องคำนึงถึงการกระจัดทางกายภาพของบริเวณขอบด้วยเมื่อประเมิน DIC เนื่องจากความคลาดเคลื่อนในการติดตั้งและการเสียรูปของกรอบทดสอบและซีล สำหรับการเปรียบเทียบ การกระจัดเฉลี่ยในบริเวณขอบ (เส้นประสีขาวในรูปที่ 8) ถูกลบออกจากการกระจัดสูงสุดที่กึ่งกลางของแผง การกระจัดที่กำหนดโดย DIC และ FEA จะถูกเปรียบเทียบในตารางที่ 1 และแสดงเป็นภาพกราฟิกที่มุมซ้ายบนของรูปที่ 8
ระดับโหลดที่ใช้ทั้งสี่ของแบบจำลองการทดลองถูกใช้เป็นจุดควบคุมสำหรับการประเมินและประเมินใน FEM การกระจัดตรงกลางสูงสุดของแผ่นคอมโพสิตในสถานะไม่โหลดถูกกำหนดโดยการวัด DIC ที่ระดับโหลด 4000 Pa ที่ 2.18 มม. แม้ว่าการกระจัดของ FEA ที่โหลดที่ต่ำกว่า (สูงถึง 2000 Pa) ยังคงสามารถสร้างค่าการทดลองได้อย่างแม่นยำ แต่การเพิ่มขึ้นของความเครียดแบบไม่เชิงเส้นที่โหลดที่สูงกว่านั้นไม่สามารถคำนวณได้อย่างแม่นยำ
อย่างไรก็ตาม การศึกษาพบว่าแผงคอมโพสิตสามารถทนต่อแรงลมที่รุนแรงได้ ความแข็งแกร่งสูงของแผงน้ำหนักเบาโดดเด่นเป็นพิเศษ การใช้การคำนวณเชิงวิเคราะห์ตามทฤษฎีเชิงเส้นของเพลต Kirchhoff [20] การเสียรูป 2.18 มม. ที่ 4000 Pa สอดคล้องกับการเสียรูปของแผ่นกระจกแผ่นเดียวที่มีความหนา 12 มม. ภายใต้เงื่อนไขขอบเขตเดียวกัน เป็นผลให้ความหนาของกระจก (ซึ่งใช้พลังงานมากในการผลิต) ในแผงคอมโพสิตนี้สามารถลดลงเหลือกระจก 2 x 3 มม. ส่งผลให้ประหยัดวัสดุได้ 50% การลดน้ำหนักโดยรวมของแผงให้ประโยชน์เพิ่มเติมในแง่ของการประกอบ ในขณะที่แผงคอมโพสิตน้ำหนัก 30 กก. สามารถจัดการได้ง่ายโดยคนสองคน แต่แผงกระจกแบบดั้งเดิมที่มีน้ำหนัก 50 กก. ต้องการการสนับสนุนทางเทคนิคจึงจะเคลื่อนย้ายได้อย่างปลอดภัย เพื่อที่จะแสดงพฤติกรรมทางกลได้อย่างแม่นยำ จำเป็นต้องมีแบบจำลองตัวเลขที่มีรายละเอียดมากขึ้นในการศึกษาในอนาคต การวิเคราะห์องค์ประกอบจำกัดสามารถปรับปรุงเพิ่มเติมได้ด้วยแบบจำลองวัสดุไม่เชิงเส้นที่ครอบคลุมมากขึ้นสำหรับโพลีเมอร์และการสร้างแบบจำลองพันธะกาว
การพัฒนาและปรับปรุงกระบวนการดิจิทัลมีบทบาทสำคัญในการปรับปรุงประสิทธิภาพทางเศรษฐกิจและสิ่งแวดล้อมในอุตสาหกรรมการก่อสร้าง นอกจากนี้ การใช้กระจกบางในส่วนหน้าอาคารช่วยประหยัดพลังงานและทรัพยากร และเปิดโอกาสใหม่ๆ ให้กับสถาปัตยกรรม อย่างไรก็ตาม เนื่องจากกระจกมีความหนาเพียงเล็กน้อย จึงจำเป็นต้องมีการออกแบบใหม่เพื่อเสริมกำลังกระจกอย่างเพียงพอ ดังนั้น การศึกษาที่นำเสนอในบทความนี้จึงสำรวจแนวคิดของแผงคอมโพสิตที่ทำจากกระจกบางและโครงสร้างแกนโพลีเมอร์ที่พิมพ์แบบ 3 มิติเสริมแรงแบบยึดติด กระบวนการผลิตทั้งหมดตั้งแต่การออกแบบจนถึงการผลิตได้รับการแปลงเป็นดิจิทัลและเป็นอัตโนมัติ ด้วยความช่วยเหลือของ Grasshopper ขั้นตอนการทำงานแบบไฟล์ถึงโรงงานได้รับการพัฒนาเพื่อให้สามารถใช้งานแผงคอมโพสิตกระจกบางในส่วนหน้าอาคารในอนาคตได้
การผลิตต้นแบบตัวแรกแสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้และความท้าทายของการผลิตด้วยหุ่นยนต์ แม้ว่าการผลิตแบบเพิ่มเนื้อและแบบลบจะมีการบูรณาการกันเป็นอย่างดีอยู่แล้ว แต่การใช้งานและการประกอบกาวแบบอัตโนมัติโดยเฉพาะอย่างยิ่งทำให้เกิดความท้าทายเพิ่มเติมที่จะต้องระบุในการวิจัยในอนาคต ผ่านการทดสอบทางกลเบื้องต้นและการสร้างแบบจำลองการวิจัยไฟไนต์เอลิเมนต์ที่เกี่ยวข้อง พบว่าแผงไฟเบอร์กลาสน้ำหนักเบาและบางมีความแข็งในการดัดงอเพียงพอสำหรับการใช้งานด้านหน้าอาคารที่ต้องการ แม้ภายใต้สภาวะแรงลมที่รุนแรง การวิจัยที่กำลังดำเนินอยู่ของผู้เขียนจะสำรวจเพิ่มเติมถึงศักยภาพของแผงคอมโพสิตกระจกบางที่ประดิษฐ์ด้วยระบบดิจิทัลสำหรับการใช้งานด้านหน้าอาคาร และแสดงให้เห็นถึงประสิทธิผล
ผู้เขียนขอขอบคุณผู้สนับสนุนทุกท่านที่เกี่ยวข้องกับงานวิจัยนี้ ขอขอบคุณโครงการให้ทุน EFRE SAB ที่ได้รับทุนจากกองทุนของสหภาพยุโรปในรูปแบบของ Grant No. เพื่อจัดหาทรัพยากรทางการเงินสำหรับการซื้อเครื่องอัดรีดพร้อมเครื่องอัดรีดและอุปกรณ์กัด 100537005 นอกจากนี้ AiF-ZIM ยังได้รับการยอมรับในการให้ทุนสนับสนุนโครงการวิจัย Glasfur3D (หมายเลขทุน ZF4123725WZ9) โดยความร่วมมือกับ Glaswerkstätten Glas Ahne ซึ่งให้การสนับสนุนที่สำคัญสำหรับงานวิจัยนี้ สุดท้ายนี้ Friedrich Siemens Laboratory และผู้ร่วมงาน โดยเฉพาะ Felix Hegewald และผู้ช่วยนักเรียน Jonathan Holzerr รับทราบการสนับสนุนทางเทคนิคและการดำเนินการประดิษฐ์และการทดสอบทางกายภาพที่เป็นพื้นฐานสำหรับบทความนี้