Топологически оптимизированное литое стекло

Дата: 14 ноября 2022 г.

Авторы: Вильфрид Дамен, Фаидра Ойкономопулу, Телесилла Бристоянни и Микела Туррин

Источник:Стеклянные конструкции и инженерия, том 7, (2022 г.) - https://doi.org/10.1007/s40940-022-00181-1

До сих пор изготовление деталей из литого стекла значительной массы и/или толщины включает в себя длительный и сложный процесс отжига. Это ограничило использование этого метода производства стекла в искусственной среде простыми объектами размером до обычного строительного кирпича, которые можно отжечь в течение нескольких часов. Впервые исследована структурно-топологическая оптимизация (ТО) как подход к созданию монолитных несущих литейных стеклянных элементов значительной массы и размеров со значительно сокращенным временем отжига. Исследование носит двойной характер. Сначала проводится численное исследование. Потенциал снижения массы при сохранении удовлетворительной жесткости конструктивного компонента рассматривается посредством тематического исследования, в ходе которого проектируется и оптимизируется узел оболочки из литого стекла.

Для достижения этой цели при оптимизации формулируются и применяются несколько критериев проектирования, касающихся стекла как материала, литья как производственного процесса и TO как метода проектирования. Сделан вывод, что подход TO, полностью подходящий для проектирования трехмерного стекла, пока не доступен. Для этого исследования выбран метод TO на основе деформации или податливости для оптимизации трехмерного узла оболочки из литого стекла; в нашем случае мы считаем, что ТО на основе деформации позволяет лучше изучить уменьшение толщины, что, в свою очередь, оказывает большое влияние на время отжига литого стекла. Для сравнения, при оптимизации, основанной на напряжении, значительно более низкая прочность стекла на растяжение станет основным ограничением, в результате чего более высокая прочность на сжатие останется неиспользуемой. Кроме того, установлено, что один, неизменный и доминирующий вариант нагрузки наиболее подходит для оптимизации TO.

С помощью ANSYS Workbench достигается снижение массы до 69 % по сравнению с исходной неоптимизированной геометрией, что сокращает время отжига примерно на 90 %. После этого исследуется возможность изготовления полученных стеклянных деталей сложной формы на физических прототипах. Исследуются две технологии производства: литье по выплавляемым моделям с использованием восковой геометрии, напечатанной на 3D-принтере, и литье в печи с использованием одноразовых песчаных форм, напечатанных на 3D-принтере. Несколько стеклянных прототипов были успешно отлиты и отожжены. Из этого делается несколько выводов относительно применимости и ограничений ТО для компонентов из литого стекла и потенциала альтернативных методов производства для изготовления таких стеклянных компонентов сложной формы.

Формование литого стекла: возможности и ограничения.

За последние десятилетия представление о стекле в инженерном сообществе изменилось от хрупкого, хрупкого материала, используемого только для элементов заполнения, к прозрачному несущему материалу с высокой прочностью на сжатие — до 1000 МПа для плавающей натронной извести. стекла (Saint Gobain 2016; Weller et al. 2008; Ashby and Jones 2006), выше, чем даже у конструкционной стали. Действительно, конструкционные применения стекла в строительной среде постоянно растут, но со значительными геометрическими ограничениями: из-за преобладания промышленности флоат-стекла конструкционное стекло обычно ограничено формами и формами, которые могут быть созданы с помощью практически плоского стекла. , двумерные, флоат-панели. Литое стекло может избежать конструктивных ограничений, налагаемых, по сути, двумерностью флоат-стекла.

Этот альтернативный метод производства, заливая расплавленное стекло в формы, позволяет создавать твердые трехмерные стеклянные элементы практически любой формы и поперечного сечения (Oikonomopoulou et al. 2018a). Несущие элементы из литого стекла пока мало нашли применения в реализованных конструкциях. Некоторые известные примеры включают Мемориал Аточа (Paech и Göppert 2008), Коронный фонтан (Ханна 2009), Оптический дом (Хироши 2013), Хрустальные дома (Oikonomopoulou et al. 2015, 2018b) (рис. 1), Квалала Скульптура (Пах и Гёпперт, 2018 г.), LightVault (Парашо и др., 2020 г.) и павильон Кааммат (Ойкономопулу и др., 2022 г.).