Moldeo en arena reconfigurable robótico para vidrio flotado doblemente curvado

Fecha: 7 de junio de 2023

La investigación presentada investiga la formación de arena suelta como estrategia de moldeo reconfigurable para piezas de vidrio personalizadas. Las piezas de vidrio doblemente curvadas suelen requerir la fabricación, que requiere mucha mano de obra, de moldes individuales de cerámica o acero. Los moldes reconfigurables para vidrio se limitan a geometrías modulares específicas y requieren mecanismos de actuación costosos y resistentes al calor. Los moldes de arena impresos tridimensionalmente (3D) para el desplome del vidrio requieren aglutinantes y no se pueden reutilizar. El objetivo de esta investigación es facilitar la fabricación sin residuos de elementos de vidrio doblemente curvados y un proceso de fabricación de moldes para el curvado en caliente de vidrio fácil, rápido y de bajo coste. El sistema de moldeo emplea material granular de arena suelta, que es resistente al calor y puede reformarse rápidamente. En combinación con novedosas herramientas digitales y fabricación robótica, la técnica proporciona un sistema de moldeo flexible para la transformación de vidrio flotado listo para la industria.

Esta investigación presenta los primeros resultados, incluidos posibles sistemas de material granular para moldeo de granular suelto, estrategias de configuración y colocación robótica para materiales granulares y formación volumétrica de material considerando parámetros de proceso robótico. Además, investiga la estabilidad del molde durante el hundimiento y la precisión geométrica del molde y los elementos de vidrio resultantes. Los elementos de vidrio resultantes son totalmente transparentes y no provocan contaminación. El enfoque presentado permite curvaturas suaves, una fácil eliminación del molde y un reciclaje completo del molde sin procesamiento adicional. El método se aplicó en varios experimentos de mediana escala, incluidas investigaciones sobre qué familia de formas se pueden producir. Se discuten la libertad geométrica y las limitaciones del método de fabricación propuesto. El moldeado de arena reconfigurable para vidrio podría permitir la personalización geométrica de elementos de vidrio y permitir nuevas propiedades ópticas, estructurales o decorativas en fachadas y ventanas de vidrio.

1.1. Fondo

La fabricación de vidrio tiene sus orígenes en la antigüedad. Las primeras evidencias de moldes para vidrio se remontan a la época romana. Los objetos domésticos se fabricaban mediante fundición de frita, fusionando pequeños gránulos de vidrio bajo calor dentro de un molde o fundiendo vidrio líquido dentro de un molde (Wight 2011). Antes de la invención del soplado de vidrio en el siglo I a. C., que permitió la fabricación sin moldes de objetos huecos de forma libre (Eisen 1916), los artesanos utilizaban la llamada formación de núcleos envolviendo vidrio fundido alrededor de un núcleo que se retiraba para producir objetos huecos (Corning Museum of Glass 2022). A pesar de la invención de los procesos sin moldes, los moldes fueron una herramienta de gran relevancia a lo largo de la historia para dar forma al vidrio. Los materiales del molde incluyen arena, cerámica, arcilla-bentonita, grafito y acero. Entre ellos, la arena es un material de moldeo importante para la fundición de vidrio y metal.

Para el llamado proceso de fundición de patrones, se presiona un patrón de madera en una mezcla de arena, arcilla y bentonita y se retira antes de la fundición (Corning Museum of Glass 2022). Si bien los artesanos todavía emplean métodos tradicionales hasta el día de hoy para artefactos de forma libre, la industria del vidrio plano ha logrado avances significativos a lo largo de la historia de la ingeniería del vidrio para la construcción. Durante la Revolución Industrial, la técnica del vidrio soplado con cilindros permitió la fabricación de paneles de vidrio planos para aplicaciones en arquitectura. Este proceso implicó soplar un cilindro de vidrio y desplegarlo sobre una placa de acero plana para producir paneles de vidrio planos (Diderot et al. 2002). La invención del proceso del vidrio flotado en 1952 permitió la producción de vidrio flotado estandarizado y sin distorsiones para la arquitectura y la industria automotriz (Pilkington 1969). Hoy en día, el vidrio flotado ocupa la mayor parte del mercado del vidrio, con un crecimiento anual continuo previsto del 4% para 2028 (Statista 2021).

La implementación del vidrio curvado en arquitectura sigue siendo una excepción debido al desafío de fabricar vidrio doblemente curvado con calidad estandarizada y altos costos de energía y moldes. Los moldes para piezas de vidrio doblemente curvadas para aplicaciones en arquitectura o en la industria automotriz generalmente están hechos de cerámica o acero cromado, que son costosos y solo pueden usarse para producir un tipo de forma (Bundesverband alemana Flachglas 2012). El curvado de vidrio en frío está ganando popularidad debido a sus ventajas ecológicas. Aún así, la técnica se limita a curvaturas simples y dobles leves sin el potencial de producir curvaturas dobles a pequeña escala dentro de un panel (Fildhuth et al. 2019).

1.2. Lo último

Las tecnologías recientes emplean sistemas de moldeo reconfigurables a partir de elementos de acero cromado o cerámica para fabricar láminas de vidrio desplomadas de diferentes formas con el mismo molde. Sin embargo, estos generalmente se limitan a geometrías modulares específicas y requieren mecanismos de actuación costosos y resistentes al calor (McGee et al. 2012). El Grupo de Vidrio y Transparencia de TU Delft ha presentado la primera prueba de concepto para el uso de moldes impresos en 3D para la fundición de vidrio como parte de una revisión de diferentes métodos de moldeado de vidrio (Oikonomopoulou et al. 2020). Investigaciones anteriores han demostrado el uso de moldes impresos tridimensionalmente para la fundición, el moldeo por soplado y el desplome de vidrio. Sin embargo, los moldes de arena impresos en tres dimensiones (3D) para el desplome del vidrio requieren aglutinantes, no se pueden reutilizar y demuestran fragilidad durante las pruebas (Giesecke y Dillenburger 2022). Investigaciones anteriores en ETH Zurich han demostrado el uso de un cabezal de herramienta personalizado para la impresión de vidrio granular (Michopoulou et al. 2021), la conformación suelta de arena utilizando una configuración robótica y un dispensador personalizado (Medina et al. 2020), y como un método de moldeo reconfigurable para hormigón (Gramazio Kohler Research 2022).

1.3. Acercarse

Para permitir la implementación de piezas personalizadas de vidrio flotado de doble curvatura para la arquitectura, esta investigación emplea la deposición automatizada de arena suelta como una estrategia de moldeo reconfigurable, de bajo costo y sin desperdicios. El método propuesto supera la necesidad de mano de obra y el alto costo de las técnicas tradicionales de fabricación de moldes, la inadaptabilidad de los moldes impresos en 3D y la necesidad de sistemas de moldeo reconfigurables de alta ingeniería. El moldeado reconfigurable basado en un sistema granular podría permitir edificios con partes de vidrio con curvatura personalizada no repetitiva en cada parte.

Los siguientes experimentos se ejecutan con una configuración CNC equipada con una herramienta personalizada para dispensar arena. Todos los experimentos presentados en este artículo emplean paneles de vidrio de 300x480 mm de 6 mm de espesor del mismo proveedor. La instalación de horneado es un horno de vidrio Nabertherm GF600 (Nabertherm 2022). Todos los experimentos se llevan a cabo con la misma curva de calor de temperaturas máximas de 650 grados Celsius. Los materiales utilizados para el molde incluyen arena natural y grava comprada a un proveedor de construcción. Más específicamente, arena de sílice con un tamaño de grano de 0,1 a 0,2 mm, arena con un tamaño de grano de 0,35 a 1,5 mm, grava con un tamaño de 2 a 5 mm y rocas con un tamaño de 25 a 50 mm sin materiales ni aglutinantes adicionales añadidos constituyen el material de moldeo.

2.1. Sistema de moldeo granular y proceso de horneado.

Este capítulo investiga el rendimiento de los sistemas de moldeo granular con una variedad de materiales diferentes que se prueban. Las pruebas iniciales con piezas de cerámica fundida dan como resultado características puntiagudas y legibilidad de la modularidad del vidrio. Por lo tanto, la arena, la grava y las rocas se prueban como materiales de moldeo naturales y totalmente reciclables que potencialmente pueden producir curvaturas suaves y procesarse con técnicas de fabricación aditiva para el ensamblaje eficiente y predecible del molde reconfigurable.

La arena, la grava y las rocas demuestran excelentes resultados en cuanto a resistencia al calor, reciclabilidad y eliminación de la parte de vidrio. La resolución y suavidad de los resultados difieren significativamente (Fig. 2). La arena de sílice de 0,1 a 0,2 mm (Fig. 1a) es ideal para dar forma a geometrías con una curvatura suave y suave, mientras que la grava con un tamaño de grano de 2 a 5 mm (Fig. 1b) y las rocas más grandes con un tamaño de 25 a 50 mm (Fig. 1c) dan como resultado características puntiagudas y dependen en gran medida tanto de la geometría única y específica de la roca como de su orientación. Debido a estos hallazgos, la siguiente investigación se centra en la arena como material de moldeo debido a su capacidad para moldear el vidrio en alta resolución en geometrías suaves y el potencial de procesar arena de manera eficiente utilizando un cabezal de herramienta. Sin embargo, la grava y las rocas muestran un gran potencial para colocarse en lugares donde la arena no puede alcanzar la altura o la estabilidad deseadas.

En resumen, la arena es un material de moldeo ideal por las siguientes razones:

Las pruebas iniciales con arena de sílice (Fig. 3) demuestran que el vidrio plano de 6 mm adopta completamente la forma de los montones de arena y de las áreas donde no se coloca arena. La colocación del panel de vidrio plano sobre los montones de arena deforma ligeramente la punta del montón de arena, provocando un aplanamiento de dichas áreas. Los montones de arena demuestran una excelente estabilidad, supuestamente causada por la carga del vidrio que se aplica y el atasco del material granular debajo. La precisión de las piezas resultantes se investigará más a fondo en 2.5 Precisión: deformación del molde y análisis de escaneo 3D. Para el proceso de caída del vidrio, el panel de vidrio se coloca cuidadosamente sobre la arena depositada en el horno. Para formar el vidrio, el horno se calienta hasta 650°C y luego se enfría en varias etapas para liberar tensiones. Se pueden aplicar temperaturas más altas, de hasta 800 °C, para curvaturas más extremas o paneles de vidrio más gruesos.

2.2. Configuración CNC y cabezal de herramienta dispensador de arena.

La configuración robótica para dispensar arena consta de un sistema de movimiento CNC o brazo robótico UR10 y un efector final personalizado (Fig. 4). El efector final está diseñado como una configuración de prueba para imprimir diferentes tipos y colores de materiales granulares. El cabezal de la herramienta se puede conectar a una configuración CNC o a un brazo robótico. Un tubo cilíndrico sirve de almacenamiento para la arena, que se puede rellenar desde arriba. El tornillo giratorio, que consta de una broca disponible en el mercado, libera la arena y la transporta a través de un tubo de 6 mm hasta la punta del cabezal de la herramienta, que consta de una pieza cónica de plástico impresa en 3D. El volumen de arena liberada se puede controlar mediante las revoluciones del motor. La configuración actual está calibrada para arena con un tamaño de grano de 0,35 a 1,5 mm, pero se puede ajustar a diferentes tamaños de grano ajustando el diámetro del tornillo y del tubo.

2.3. Calibración de parámetros de proceso e impresión de arena.

La configuración robótica para dispensar arena consta de un sistema de movimiento CNC o brazo robótico UR10 y un efector final personalizado (Fig. 4). El efector final está diseñado como una configuración de prueba para imprimir diferentes tipos y colores de materiales granulares. El cabezal de la herramienta se puede conectar a una configuración CNC o a un brazo robótico. Un tubo cilíndrico sirve de almacenamiento para la arena, que se puede rellenar desde arriba. El tornillo giratorio, que consta de una broca disponible en el mercado, libera la arena y la transporta a través de un tubo de 6 mm hasta la punta del cabezal de la herramienta, que consta de una pieza cónica de plástico impresa en 3D. El volumen de arena liberada se puede controlar mediante las revoluciones del motor. La configuración actual está calibrada para arena con un tamaño de grano de 0,35 a 1,5 mm, pero se puede ajustar a diferentes tamaños de grano ajustando el diámetro del tornillo y del tubo.

Tabla 1: Parámetros del proceso.

2.4. Precisión: deformación del molde y análisis de escaneo 3D

Este capítulo investiga la precisión de las muestras de vidrio resultantes en relación con los escaneos del molde de arena suelta. Para identificar las deformaciones resultantes de la colocación del panel de vidrio sobre la arena suelta y del proceso de hundimiento en el horno, la arena se escanea antes y después del proceso de horneado. La arena se escanea en 3D utilizando un escáner GOM ATOS CORE 300 con una precisión de 10-20 μm y la comparación de datos se realiza con el software GOM Inspect. La figura 6 muestra las desviaciones mínimas de la geometría objetivo resultantes del peso aplicado al colocar el panel de vidrio sobre la arena suelta. Si bien la geometría general de la arena resulta en una alta precisión, las puntas de los montones de arena muestran deformaciones de hasta 2 mm (Fig. 6, visualizada en rojo) resultantes de la carga aplicada al colocar el vidrio. Durante este proceso, la arena es empujada hacia abajo, lo que produce desviaciones de menos de 2 mm por debajo de la punta de los montones de arena (Fig. 6, visualizada en azul).

2.5. Pruebas de caída del vidrio

La figura 7 muestra que el panel de vidrio se adapta completamente a la tipología de arena suelta, incluidas las áreas planas donde no se ha colocado arena. El vidrio demuestra propiedades ópticamente transparentes sin contaminación de la arena o el proceso. El material granular se imprime en el vidrio dependiendo del tamaño de la arena. La Fig. 7b muestra los patrones resultantes en el vidrio con deformaciones puntuales a lo largo de una rejilla regular de altura constante que demuestra la repetibilidad del proceso presentado, alturas variables, una rejilla irregular de alturas constantes y una rejilla irregular de alturas variables con el efecto reflectante resultante. y propiedades refractivas de las deformaciones en el vidrio (Fig.8).

2.6. Familias de formas: libertad geométrica y limitaciones.

Las familias de formas que se pueden producir con el proceso presentado dependen en gran medida del comportamiento de atasco de la arena y del método de automatización aplicado. El enfoque actual de utilizar arena fina sin ningún material o aglutinante adicional es adecuado para geometrías de transición suave y curvaturas suaves en superficies doblemente curvadas. En futuras pruebas deberán investigarse los límites de altura, escala y curvatura de los extremos. La combinación de rocas y arena podría ayudar a producir geometrías con curvaturas más extremas y estabilizar la tipología de arena suelta mediante una ubicación estratégica.

El novedoso sistema de moldeo sin desperdicios: esta investigación amplía el estado de la técnica al proporcionar un novedoso sistema de moldeo reconfigurable y sin desperdicios para vidrio doblemente curvado. Los experimentos a mediana escala proporcionan la primera prueba de concepto para combinar el modelado automatizado de arena suelta para fabricar piezas de vidrio doblemente curvadas. Los experimentos anteriores han demostrado el potencial de utilizar arena suelta para dar forma al vidrio e imprimir con arena para este fin de forma automatizada.

Novedoso dispensador robótico para material granular: El novedoso dispensador robótico permite la distribución automatizada controlada de material granular. Proporciona una solución de cabezal de herramienta personalizada compatible con CNC o sistemas de movimiento de brazo robótico y permite el ensamblaje y la reconfiguración precisos de material suelto.

Reconfigurabilidad y reciclaje: si bien los moldes para vidrio generalmente requieren procesos de fundición o fresado de una forma o módulos finales y mecanismos de reconfiguración automatizados complicados, el material de moldeo suelto se puede reciclar y remodelar por completo; Proporciona una técnica de moldeado de vidrio sin pegamento ni residuos a partir de un material natural.

Resolución y precisión: Sand proporciona un sistema de material de alta resolución para moldear con alta precisión de desviaciones de solo 2 mm en puntos locales de la geometría objetivo. La simulación y el modelado volumétrico podrían mitigar aún más estas desviaciones y predecirlas dentro del flujo de trabajo del diseño a la producción.

Costo y accesibilidad: Con acceso a una configuración CNC o un brazo robótico y un horno de vidrio, esta técnica es fácilmente accesible a bajo costo. El material de moldeo es casi gratuito y el prototipo de cabezal de herramienta personalizado (un canal es suficiente) se puede construir por aproximadamente 300 euros para componentes eléctricos, piezas impresas en 3D y tubos acrílicos.

Vidrio digital de forma libre: en arquitectura, el vidrio suele implementarse como un material plano y estandarizado. La industria del vidrio ha descuidado en gran medida la personalización de la forma debido a los altos costos de producción de vidrio de forma libre y los requisitos de moldes costosos. La fabricación aditiva puede contribuir al diseño y la fabricación predecibles de vidrio elaborado digitalmente, lo que podría permitir una personalización del vidrio económicamente viable.

El novedoso sistema de moldura sin desperdicios: Accesibilidad y novedoso espacio de diseño para el vidrio. El moldeado en arena suelta proporciona un método económico y fácilmente replicable para dar forma tridimensional al vidrio sin la necesidad de producir moldes de cerámica o acero cromado que son difíciles de manipular, se rompen fácilmente y requieren procesos de fundición que requieren mucha mano de obra. Esta investigación abre un nuevo espacio de diseño para que diseñadores, arquitectos e ingenieros produzcan nuevas propiedades en piezas de vidrio. Las características potenciales incluyen propiedades reflectantes, refractivas y estructurales del vidrio.

Sistema de material granular reconfigurable y diseño consciente del proceso: la reconfigurabilidad del sistema de materiales, las interacciones de los materiales y el proceso implementado impactan sustancialmente las familias de formas producidas. Es muy relevante producir enfoques de diseño que tengan en cuenta los procesos y los materiales. El diseño computacional y la fabricación aditiva son herramientas altamente eficientes para diseñar con dichos sistemas.

Modelado volumétrico computacional: para mejorar la previsibilidad del método AM presentado, el diseño computacional y el modelado volumétrico, como el modelado volumétrico para el terreno implementado en el modelado de paisajes (Hurkxkens 2019), podrían respaldar un flujo de trabajo estable desde el diseño hasta la producción que considere los parámetros físicos. del proceso y limitaciones del sistema material.

Ampliación y aplicaciones: la investigación presentada proporciona una prueba de concepto a pequeña escala. Es crucial abordar los desafíos relevantes para la ampliación y la construcción, incluida la viabilidad de ampliar el proceso de fabricación a grandes paneles de vidrio, la unión de piezas de forma libre en fachadas arquitectónicas y el rendimiento estructural de las piezas. Las aplicaciones podrían incluir ventanas para paneles de fachada que redirijan la luz con fines funcionales o decorativos o que tengan propiedades estructurales específicas resultantes de la curvatura.

Limitaciones y desafíos: Los desafíos en el proceso de producción incluyen el control de calidad de las piezas de vidrio horneadas. Sigue siendo una pregunta abierta cómo la estructura del material se ve afectada por el proceso de horneado y cómo se comporta estructuralmente el vidrio flotado doblemente curvado en comparación con el vidrio flotado disponible en el mercado.

Trabajo futuro: El trabajo futuro incluirá pruebas de laboratorio para determinar el rendimiento de las piezas resultantes en términos de propiedades estructurales e investigar la unión de piezas únicas de vidrio doblemente curvadas. Además, el trabajo futuro explorará cómo se pueden producir propiedades estructurales y ópticas funcionales para demostrar nuevas propiedades en arquitecturas y fachadas de vidrio.

Los autores agradecen el apoyo técnico de Tobias Hartmann del Robotic Fabrication Lab (RFL) y Robert Presl del Instituto de Geodesia y Fotogrametría de ETH Zurich. En nombre de todos los autores, el autor correspondiente declara que no existe ningún conflicto de intereses.

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