Moldeo de arena robótico reconfigurable para vidrio flotado de doble curvatura

Fecha: 7 junio 2023

La investigación presentada investiga la formación de arena suelta como una estrategia de moldeo reconfigurable para piezas de vidrio personalizadas. Las piezas de vidrio doblemente curvadas generalmente requieren la fabricación laboriosa de moldes individuales de cerámica o acero. Los moldes reconfigurables para vidrio están limitados a geometrías modulares específicas y requieren costosos mecanismos de actuación resistentes al calor. Los moldes de arena impresos tridimensionalmente (3D) para el hundimiento del vidrio requieren aglutinantes y no se pueden reutilizar. El objetivo de esta investigación es facilitar una fabricación sin desperdicios de elementos de vidrio de doble curvatura y un proceso de fabricación de moldes fácil, rápido y de bajo costo para el doblado en caliente de vidrio. El sistema de moldeo emplea material granular de arena suelta, que es resistente al calor y se puede reformar rápidamente. En combinación con nuevas 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 los posibles sistemas de material granular para el moldeo granular suelto, la configuración robótica y las estrategias de colocación de materiales granulares y la formación de material volumétrico teniendo en cuenta los parámetros del 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 completamente transparentes sin que se produzca contaminación. El enfoque presentado permite curvaturas suaves, fácil eliminación del molde y reciclaje completo del molde sin más procesamiento. El método se aplicó en varios experimentos de mediana escala, incluidas investigaciones sobre qué familia de formas se puede producir. Se discuten la libertad geométrica y las limitaciones del método de fabricación propuesto. El moldeo en 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. La primera evidencia de moldes para vidrio se remonta a la época romana. Los objetos domésticos se fabricaban utilizando frita fundida, fusionando pequeños gránulos de vidrio bajo calor dentro de un molde o colando 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 molde de objetos huecos de forma libre (Eisen 1916), los artesanos usaban el llamado conformado de núcleo envolviendo vidrio fundido alrededor de un núcleo que se retiraba para producir objetos huecos (Museo del Vidrio de Corning 2022). A pesar de la invención de los procesos sin molde, los moldes fueron una herramienta muy relevante a lo largo de la historia para la conformación del vidrio. Los materiales del molde incluyen arena, cerámica, arcilla-bentonita, grafito y acero. Entre ellos, la arena es un material de moldeo relevante 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 (Museo del Vidrio de Corning 2022). Si bien los artesanos todavía emplean estos métodos tradicionales hasta el día de hoy para los artefactos de forma libre, la industria del vidrio plano ha logrado un progreso significativo a lo largo de la historia de la ingeniería del vidrio para la construcción. Durante la Revolución Industrial, la técnica de la lámina de vidrio soplado en cilindro permitió la fabricación de paneles de vidrio planos para aplicaciones en la arquitectura. Este proceso implicó soplar un cilindro de vidrio y desplegarlo sobre una placa plana de acero para producir paneles de vidrio planos (Diderot et al. 2002). La invención del proceso de 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 curvo en la arquitectura sigue siendo una excepción debido al desafío de fabricar vidrio doblemente curvo con calidad estandarizada y altos costos de energía y moldes. Los moldes para piezas de vidrio de doble curvatura para aplicaciones en la arquitectura o la industria automotriz suelen estar hechos de cerámica o acero cromado, que son costosos y solo se pueden usar para producir un tipo de forma (Deutsch Bundesverband Flachglas 2012). El doblado en frío del vidrio 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 suelen estar limitados a geometrías modulares específicas y requieren costosos mecanismos de actuación 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 moldeo de vidrio (Oikonomopoulou et al. 2020). Investigaciones anteriores han demostrado el uso de moldes impresos tridimensionalmente para la fundición de vidrio, el moldeo por soplado y el hundimiento. Sin embargo, los moldes de arena impresos en tres dimensiones (3D) para la caída 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), moldeado suelto de arena usando 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 de vidrio flotado de doble curvatura personalizadas para la arquitectura, esta investigación emplea la deposición automatizada de arena suelta como una estrategia de moldeo sin desperdicios, reconfigurable y de bajo costo. El método propuesto supera la mano de obra intensiva 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 moldeo 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 documento emplean paneles de vidrio de 300 x 480 mm de 6 mm de espesor del mismo proveedor. La configuración 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 centígrados. 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 adicionales o aglutinantes agregados 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 gama de diferentes materiales que se están probando. Las pruebas iniciales con piezas de cerámica fundida dan como resultado características puntiagudas y la legibilidad de la modularidad en el vidrio. Por lo tanto, la arena, la grava y las rocas se prueban como materiales de moldeo totalmente reciclables y naturales 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 resistencia al calor, reciclabilidad y eliminación de la parte de vidrio. La resolución y la suavidad de los resultados difieren significativamente (Fig. 2). La arena de sílice de 0,1-0,2 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 2-5 mm (Fig. 1b) y las rocas más grandes de 25-50 mm (Fig. 1c) dan como resultado características puntiagudas y dependen en gran medida tanto de la geometría única 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 a alta resolución en geometrías uniformes 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 las alturas 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 toma completamente la forma de las pilas de arena y las áreas donde no se coloca arena. La colocación del panel de vidrio plano sobre las pilas de arena deforma ligeramente la punta de la pila de arena, provocando un aplanamiento de tales áreas. Las pilas 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 con cuidado sobre la arena depositada en el horno. Para formar el vidrio, el horno se calienta a 650 °C y luego se enfría en varias etapas para liberar tensiones. Potencialmente, se pueden aplicar temperaturas más altas de hasta 800 °C para curvaturas más extremas o paneles de vidrio más gruesos.

2.2. Cabezal de herramienta de configuración CNC y dispensador de arena

La configuración robótica para dispensar la arena consta de un sistema de movimiento CNC o un 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 de CNC o a un brazo robótico. Un tubo cilíndrico proporciona almacenamiento para la arena, que se puede rellenar desde arriba. El tornillo giratorio que consiste en una broca comercial 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 de plástico cónica impresa en 3D. El volumen de arena liberado se puede controlar a través de las revoluciones del motor. La configuración actual está calibrada para arena con un tamaño de grano de 0,35 a 1,5 mm, pero podría ajustarse a diferentes tamaños de grano ajustando el tornillo y el diámetro de la tubería.

2.3. Calibración de parámetros de proceso e impresión de arena

La configuración robótica para dispensar la arena consta de un sistema de movimiento CNC o un 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 de CNC o a un brazo robótico. Un tubo cilíndrico proporciona almacenamiento para la arena, que se puede rellenar desde arriba. El tornillo giratorio que consiste en una broca comercial 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 de plástico cónica impresa en 3D. El volumen de arena liberado se puede controlar a través de las revoluciones del motor. La configuración actual está calibrada para arena con un tamaño de grano de 0,35 a 1,5 mm, pero podría ajustarse a diferentes tamaños de grano ajustando el tornillo y el diámetro de la tubería.

Tabla 1: Parámetros del proceso.

2.4. Precisión: deformación de moldes 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 cristal sobre la arena suelta y el proceso de hundimiento en el horno, se escanea la arena antes y después del proceso de horneado. La arena se escanea en 3D con 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 cristal sobre la arena suelta. Si bien la geometría general de la arena da como resultado una alta precisión, las puntas de las pilas de arena muestran deformaciones de hasta 2 mm (Fig. 6, visualizadas en rojo) como resultado de la carga aplicada al colocar el vidrio. A través de este proceso, la arena es empujada hacia abajo, lo que resulta en 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 de vidrio

La Fig. 7 muestra que el cristal se adapta totalmente a la tipología de arena suelta, incluidas las zonas planas donde no se ha colocado arena. El vidrio demuestra propiedades ópticamente transparentes sin contaminación por 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 cuadrícula regular de altura constante que demuestra la repetibilidad del proceso presentado, alturas variables, una cuadrícula irregular de alturas constantes y una cuadrícula irregular de alturas variables con el reflejo 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 usar arena fina sin ningún material o aglutinante adicional es adecuado para geometrías de transición suave y curvaturas suaves en superficies doblemente curvas. Los límites en las alturas, la escala y los extremos de la curvatura deberán investigarse en pruebas posteriores. La combinación de rocas y arena podría ayudar a producir geometrías con curvaturas más extremas y estabilizar la tipología de arena suelta a través de una ubicación estratégica.

El novedoso sistema de moldeo sin desperdicios: esta investigación amplía el estado del arte al proporcionar un sistema de moldeo novedoso, sin desperdicios y reconfigurable para vidrio doblemente curvado. Los experimentos a mediana escala proporcionan la primera prueba de concepto para combinar la formación automatizada de arena suelta para fabricar piezas de vidrio de doble curvatura. Los experimentos anteriores han demostrado el potencial del uso de arena suelta para dar forma al vidrio y la impresión 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 sistemas de movimiento de brazo robótico o CNC 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 moldeo de vidrio sin pegamento ni residuos basada en un material natural.

Resolución y precisión: Sand proporciona un sistema de materiales de alta resolución para moldear con alta precisión de solo 2 mm de desviaciones 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 brazo robótico y horno de vidrio, esta técnica es fácilmente accesible a bajo costo. El material de moldeo es casi gratuito y el cabezal de herramienta personalizado prototipo (un canal es suficiente) se puede construir por aproximadamente 300 euros para componentes eléctricos, piezas impresas en 3D y tuberías acrílicas.

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

El novedoso sistema de moldeado sin residuos: Accesibilidad y novedoso espacio de diseño para el vidrio. El moldeo en arena suelta proporciona un método de bajo costo y fácilmente reproducible para dar forma tridimensional al vidrio sin necesidad de producir moldes de cerámica o acero cromado que son difíciles de manejar, se rompen con facilidad y requieren procesos de fundición que requieren mucha mano de obra. Esta investigación abre un nuevo espacio de diseño para diseñadores, arquitectos e ingenieros para producir nuevas propiedades en piezas de vidrio. Las características potenciales incluyen propiedades reflectantes, refractivas y estructurales en el vidrio.

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

Modelado volumétrico computacional: para mejorar la previsibilidad del método AM presentado, el diseño computacional y el modelado volumétrico, como el modelado volumétrico para terreno implementado en el modelado de paisajes (Hurkxkens 2019), podría 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 fundamental abordar los desafíos relacionados con 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 como resultado de la curvatura.

Limitaciones y desafíos: Los desafíos en el proceso de producción incluyen el control de calidad de las piezas de vidrio horneado. 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 de doble curvatura en comparación con el vidrio flotado estándar.

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 hay conflicto de intereses.

Museo del Vidrio de Corning: formación de núcleos. Diccionario del Museo del Vidrio de Corning. https://www.cmog.org/glass-dictionary/core-forming. Consultado el 18 de junio de 2022Museo del vidrio de Corning: fundición en arena. Diccionario del Museo del Vidrio de Corning. https://www.cmog.org/glass-dictionary/sand-casting#:~:text=A%20forming%20technique%20in%20which,into%20contact%20with%20the%20sand. Consultado el 18 de junio de 2022 Diderot et al.: L`Encyclopedie - Il Vetro. Libroitalia, Italia (2002) Eisen, G.: El origen del soplado de vidrio. American Journal of Archaeology 20(2), 134-143 (1916) Fildhuth, T., Oppe, M., Schieber, R.: Diseño y construcción con vidrio curvo. En: Weller, B., Taschen, S. (eds.) Glasbau 2019 - edificios y proyectos. dimensionamiento y construcción. Investigación y desarrollo. Productos de construcción y tipos de edificios, pp. 59-74. Wiley-VCH, Dresden (2019) German Bundesverband Flachglas: Directrices para vidrio doblado térmicamente en la industria de la construcción. BF Bulletin 9 (2012) Giesecke, R., Dillenburger, B.: Moldes impresos tridimensionalmente (3D) para piezas de vidrio personalizadas. En: Belis, J., Louter, C., Nielsen, JH, Schneider, J., Overend, M. (eds.) Glass Structures & Engineering (2022). https://doi.org/10.1007/s40940-022-00176-y Investigación Gramazio Kohler: Paisajes procedimentales 2. https://gramaziokohler.arch.ethz.ch/web/e/lehre/211.html (2011). Consultado el 10 de enero de 2022 Hurkxkens, I., Bernhard, M.: Modelado computacional del terreno con funciones de distancia para el diseño de paisajes a gran escala. En: Buhmann, E., Ervin, S., Helh-Lange, S., Palmer, J. (eds.) Journal of Digital Landscape Architecture n.º 4. Wichmann Verlag, Berlín (2019) McGee, W., Newell, C., Willette, A.: Glass Cast: un sistema de herramientas reconfigurable para la fabricación de vidrio de forma libre. En: Actas de la Conferencia de Acadia, pp. 287-294 (2012) Medina Ibáñez J, Jenny D, Gramazio F, Kohler M Formación de retroalimentación: tres proyectos de enseñanza sobre materiales granulares manipulados robóticamente. En: VIII Jornadas sobre Innovación Docente en Arquitectura, pp. 59-69 (2012) Michopoulou, S., Giesecke, R., van den Bulcke, J., Odaglia, P., Dillenburger, B.: Robotic Grading of Glass – Fabricación Aditiva de Color Heterogéneo y Transparencia. En: Globa, A., van Ameijde, J., Fingrut, A., Kim, N., Lo, TTS Reflections- Proceedings of the 26th CAADRIA Conference - Volume 1 (2021), pp. 563-572 (2021) Nabertherm : Hornos de Fusión. https://nabertherm.com/en/products/arts-crafts/fusing-furnaces. Consultado el 8 de febrero de 2022 Oikonomopoulou F, Bhatia IS, Damen W, Van Der Weijst W, Bristogianni T.: Repensar el molde de vidrio fundido: una exploración de técnicas novedosas para generar geometrías complejas y personalizadas. En: Belis, J., Bos, F., Louter, C. (eds.) Challenging Glass Conference Proceedings vol. 7, págs. 155–174. TU Delft Open, Delft (2012) Pilkington L Conferencia de revisión: el proceso de vidrio flotado. En: Actas de la Royal Society de Londres. Ciencias Matemáticas y Físicas 314, pp. 1-25 (1969) Statista: Industria del vidrio. https://es.statista.com/study/43866/industria-del-vidrio/. Consultado el 12 de diciembre de 2021. Wight, KB: Color fundido: Fabricación de vidrio en la antigüedad. Springer, Los Ángeles (2011)