Topologisch optimiertes Gussglas

Datum: 14. November 2022

Autoren: Wilfried Damen, Faidra Oikonomopoulou, Telesilla Bristogianni und Michela Turrin

Quelle:Glass Structures & Engineering Band 7, (2022) – https://doi.org/10.1007/s40940-022-00181-1

Bisher erfordert die Herstellung von Gussglaskomponenten mit beträchtlicher Masse und/oder Dicke einen langwierigen und komplizierten Glühprozess. Dies hat den Einsatz dieser Glasherstellungsmethode in der gebauten Umwelt auf einfache Objekte bis zur Größe normaler Bausteine ​​beschränkt, die innerhalb weniger Stunden ausgeglüht werden können. Zum ersten Mal wird die strukturelle topologische Optimierung (TO) als Ansatz zur Konstruktion monolithischer tragender Gussglaselemente mit beträchtlicher Masse und Abmessungen und deutlich verkürzten Glühzeiten untersucht. Die Forschung ist zweigeteilt. Zunächst wird eine numerische Untersuchung durchgeführt. Das Potenzial zur Gewichtsreduzierung bei gleichzeitiger Beibehaltung einer zufriedenstellenden Steifigkeit einer Strukturkomponente wird anhand einer Fallstudie untersucht, in der ein Gitterschalenknoten aus Gussglas entworfen und optimiert wird.

Um dies zu erreichen, werden mehrere Designkriterien in Bezug auf den Werkstoff Glas, den Guss als Herstellungsverfahren und TO als Designmethode formuliert und in der Optimierung angewendet. Es wird der Schluss gezogen, dass ein vollständig für die dreidimensionale Glasgestaltung geeigneter TO-Ansatz bislang nicht verfügbar ist. Für diese Forschung werden dehnungs- oder nachgiebigkeitsbasierte TO zur Optimierung des dreidimensionalen Gussglas-Gitterschalenknotens ausgewählt; In unserem Fall gehen wir davon aus, dass eine auf Dehnungen basierende TO eine bessere Untersuchung der Dickenreduzierung ermöglicht, die wiederum einen großen Einfluss auf die Glühzeit von Gussglas hat. Im Vergleich dazu würde bei einer spannungsbasierten Optimierung die erheblich geringere Zugfestigkeit von Glas zur Haupteinschränkung werden, während die höhere Druckfestigkeit nicht ausreichend genutzt würde. Darüber hinaus wird festgestellt, dass ein einzelner, sich nicht ändernder und dominanter Lastfall am besten für die TO-Optimierung geeignet ist.

Mit ANSYS Workbench werden Massenreduzierungen von bis zu 69 % im Vergleich zu einer anfänglichen, nicht optimierten Geometrie erreicht, wodurch sich die Glühzeiten um schätzungsweise 90 % reduzieren. Anschließend wird die Machbarkeit der Herstellung der resultierenden komplex geformten Glaskomponenten anhand physischer Prototypen untersucht. Es werden zwei Herstellungstechniken untersucht: Wachsausschmelzguss mit 3D-gedruckten Wachsgeometrien und Ofenguss mit 3D-gedruckten Einweg-Sandformen. Mehrere Glasprototypen wurden erfolgreich gegossen und geglüht. Daraus werden mehrere Schlussfolgerungen hinsichtlich der Anwendbarkeit und Grenzen von TO für Gussglaskomponenten und dem Potenzial alternativer Herstellungsverfahren zur Herstellung solcher komplex geformten Glaskomponenten gezogen.

Die Formgebung von Gussglas: Möglichkeiten und Grenzen

Im Laufe der letzten Jahrzehnte hat sich die Wahrnehmung von Glas in der Ingenieurswelt von einem spröden, zerbrechlichen Material, das nur für Füllelemente verwendet wird, zu einem transparenten, tragenden Material mit hoher Druckfestigkeit entwickelt – angegeben bis zu 1000 MPa für Float-Natronkalk Glas von (Saint Gobain 2016; Weller et al. 2008; Ashby und Jones 2006), höher als sogar der von Baustahl. Tatsächlich nehmen die strukturellen Anwendungen von Glas in der gebauten Umwelt kontinuierlich zu, allerdings mit erheblichen geometrischen Einschränkungen: Aufgrund der Verbreitung der Floatglasindustrie ist Strukturglas im Allgemeinen auf die Formen und Gestalten beschränkt, die durch nahezu ebene Elemente erzeugt werden können , zweidimensionale, schwebende Panels. Gussglas kann die Designbeschränkungen umgehen, die durch die im Wesentlichen zweidimensionale Struktur von Floatglas entstehen.

Durch das Gießen von geschmolzenem Glas in Formen ermöglicht diese alternative Herstellungsmethode die Herstellung massiver dreidimensionaler Glaselemente nahezu jeder Form und jedes Querschnitts (Oikonomopoulou et al. 2018a). Tragende Gussglaselemente finden bisher kaum Anwendung in realisierten Bauwerken. Einige bemerkenswerte Beispiele sind das Atocha-Denkmal (Paech und Göppert 2008), der Crown Fountain (Hannah 2009), das Optical House (Hiroshi 2013), die Crystal Houses (Oikonomopoulou et al. 2015, 2018b) (Abb. 1) und das Qwalala Skulptur (Paech und Göppert 2018), das LightVault (Parascho et al. 2020) und der Qaammat-Pavillon (Oikonomopoulou et al. 2022).

Allen oben genannten Projekten ist gemeinsam, dass die Gussglaselemente der Form standardisierter Ziegel folgen und die Funktionalität, Form und Größe von Keramikmauerwerk nachahmen. ein Glasvolumen, das innerhalb einer angemessenen Zeitspanne getempert werden kann (Abb. 2). Trotz seines Potenzials für die Herstellung von Freiformelementen wurden bisher kaum Untersuchungen zu den Formen durchgeführt, die mit Gussglas erreicht werden können (Oikonomopoulou et al. 2018a).

Ein großes Hindernis für die Herstellung von Gussglaselementen mit erheblicher Masse und großen Abmessungen ist der sorgfältige und zeitaufwändige Glühprozess, der das langsame und kontrollierte Abkühlen des geschmolzenen Glases unter seinen Erweichungspunkt betrifft1,2 (Oikonomopoulou et al. 2018a). Die Glühphase ist unbedingt erforderlich, um mögliche Differenzspannungen zu beseitigen und die Entstehung innerer Restspannungen während des weiteren Abkühlens aufgrund ungleichmäßiger Schrumpfung zu verhindern (Shand und Armistead 1958), die wiederum die strukturelle Leistung und den Versagensmodus des Bauteils negativ beeinflussen können resultierende Glaskomponente. Während der Glühphase wird die Größe der resultierenden inneren Spannungen durch den Temperaturunterschied zwischen den wärmsten und kältesten Teilen des Gussobjekts bestimmt.

Dies hängt direkt mit der Menge der der Kühlung ausgesetzten Oberflächen, der Art des Glases, der Menge der erforderlichen Eigenspannung sowie der Dicke, Größe und Massenverteilung des betreffenden Objekts zusammen (Shand und Armistead 1958). Dementsprechend können Größe, Massenverteilung und maximale Dicke des zu gießenden Objekts hinsichtlich der Geometrie einen großen Einfluss auf die erforderlichen Abkühlzeiten haben (Oikonomopoulou et al. 2018a); Tatsächlich erhöht jede Vergrößerung des Objektquerschnitts die erforderliche Abkühlzeit exponentiell. Ein praktisches Beispiel hierfür ist der Vergleich zweier Varianten von Kalk-Natron-Glassteinen, die für das Crystal Houses-Projekt hergestellt wurden (Abb. 1, 2). In diesem Projekt erforderte der kleinere Glasstein mit den Maßen 50 × 105 × 210 mm eine 8-stündige Glühzeit; wohingegen ein Ziegel mit der doppelten Breite (50 × 210 × 210 mm) 36–38 Stunden Glühzeit erforderte (Oikonomopoulou et al. 2015). In der gebauten Umwelt haben die langen Glühzeiten bei der Herstellung von Gussglas und die damit verbundenen Produktionskosten die Herstellung von Gussglaselementen über die Größe normaler Bausteine ​​hinaus erschwert.

Dennoch wurden großflächige massive Gussglaselemente auch in nichtarchitektonischen Anwendungen realisiert. Am bemerkenswertesten sind die monolithisch gegossenen Spiegelrohlinge bodengestützter Riesenteleskope mit einem Durchmesser von mehreren Metern. Aufgrund ihrer großen Abmessungen sind die Glühzeiten erheblich. Beispielsweise waren für den massiven Glasspiegel des Hooker-Teleskops mit einem Durchmesser von 2,50 m, einer Dicke von 0,32 m und einem Gewicht von 4 Tonnen, der aus Kalknatron-Weinflaschenglas gegossen wurde, 12 Monate Ausheilung erforderlich (Zirker 2005). Um die Glühzeiten zu verkürzen, wurde in späteren Entwürfen neben der Wahl einer Glaszusammensetzung mit einem niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten 3 auch eine hohle Wabenunterstruktur eingeführt, die die Abschnittsdicke und -masse reduzierte und dennoch eine Glasscheibe mit hoher Steifigkeit gewährleistete. Aufgrund dieser Veränderungen benötigten die neueren Rohlinge des Riesen-Magellan-Teleskops trotz eines Durchmessers von 8,4 m und eines Gewichts von jeweils 16 Tonnen eine Ausheilzeit von nur drei Monaten (Oikonomopoulou et al. 2018a), wie in Abb. 3 dargestellt .

Topologieoptimierung: Entwurf von Strukturelementen mit reduzierter Masse

In dieser Richtung untersucht dieser Artikel einen neuartigen strukturellen Designansatz für die Gestaltung von Freiform-Gussglaselementen mit verkürzten Glühzeiten durch die Anwendung struktureller Topologieoptimierung.

Topologische Optimierung (TO) ist ein struktureller Entwurfsansatz, der die Optimierung – und damit Reduzierung – der Masse im Zusammenhang mit der strukturellen Leistung ermöglicht. Es funktioniert, indem es die optimale Materialverteilung innerhalb eines gegebenen Entwurfsraums anstrebt und dabei bestimmte Lasten, Stützen und Einschränkungen berücksichtigt (Bendsøe und Sigmund 2003). Die Reduzierung der Masse bei gleichzeitiger Beibehaltung einer hohen Steifigkeit macht es potenziell vielversprechend für strukturelle Gussglaselemente; Durch TO können wir monolithische Strukturglaskomponenten mit reduzierter Dicke und reduziertem Volumen und damit kürzerer Temperzeit entwerfen.

TO führt oft zu hochindividuellen Formen, die komplex und nicht immer intuitiv sind. Diese Formen sind mit traditionellen Produktionstechniken wie Spritzguss, Fräsen und Formen, die für die Massenproduktion verwendet werden, im Allgemeinen schwierig und teuer herzustellen. Durch den Einsatz computergesteuerter additiver und subtraktiver Verfahren ist es möglich, die Herstellung solcher Bauteile – direkt aus den Teilen oder aus den jeweiligen Formen – mit hoher Präzision und innerhalb einer reduzierten Durchlaufzeit zu automatisieren.4 Wie jedes Element ist Durch die individuelle Fertigung ist ein hohes Maß an Individualisierung möglich, wodurch die Gemeinkosten für die Werkzeugherstellung, aber auch die Entstehung von Ausschuss aufgrund komplexer Formen vermieden werden. Durch den Einsatz der additiven Fertigung (AM) kann das gesamte Bauteil in einem Prozess hergestellt werden (abhängig von den Gesamtabmessungen des Druckers), wodurch auch die Kosten für die Montage komplexer Teile entfallen. All dies macht die additive Fertigung für Kleinserienfertigungen besonders attraktiv.

Auf der anderen Seite führt AM zu einer beeinträchtigten Qualität der Oberflächenveredelung, die eine Nachbearbeitung erfordert und immer noch einige Einschränkungen hinsichtlich der maximal produzierbaren Produktgröße (vorbehaltlich der Größenbeschränkungen des Druckbetts) sowie der Materialien mit sich bringt, die hergestellt werden können (direkt) angewendet werden; wohingegen die schichtweise Fertigung immer noch der Standardisierung unterliegt, was den Einsatz von AM in Anwendungen, in denen eine Zertifizierung erforderlich ist, zu einer Herausforderung machen kann (Kawalkar et al. 2021). Unabhängig davon bleibt AM das am besten geeignete Fertigungsverfahren zur Realisierung von TO-Strukturen, bei dem jedes Element entsprechend den spezifischen Belastungen optimiert wird, denen es standhalten muss, und das bei geringem zusätzlichem Fertigungsaufwand.

Bisher war die praktische Anwendung von TO größtenteils auf Hochleistungsanwendungen beschränkt, beispielsweise im Luft- und Raumfahrtdesign (Rozvany 2009). Verschiedene Anwendungen von TO in der gebauten Umwelt, realisiert mit Hilfe von AM, wurden untersucht (Jipa et al. 2016; Prayudhi 2016; Galjaard et al. 2015; Naboni und Kunic 2019) (vglFeige.4 ); Als Designwerkzeug für strukturelle Glasbauteile ist es jedoch noch eher unerforscht.

Gitterschalen sind eine Klasse von Strukturen, die die effizienten Trageigenschaften von Schalenstrukturen aufweisen und größtenteils aus eindimensionalen Balkenelementen bestehen, was leichte und wirtschaftliche Strukturen ermöglicht. Die Komplexität der Struktur konzentriert sich auf die Knoten, in denen die Balken verbunden sind. Mit TO entworfene komplexe Gitterschalenknoten wurden bereits zuvor in Stahlkonstruktionen untersucht (van der Linden 2015; Prayudhi 2016; Seifi et al. 2018) und dabei festgestellt, dass erhebliche Gewichtseinsparungen bei gleichzeitiger Beibehaltung der strukturellen Integrität erzielt werden können. Strukturelle Gitterschalenknoten aus Glas stellen nach Kenntnis der Autoren ein Novum dar.

Methodik

Um das Potenzial von TO für strukturelle Gussglasanwendungen zu untersuchen, wurde eine Glasgitterschalenstruktur entworfen, bei der topologisch optimiertes Gussglas für die Verbindungsknoten verwendet wurde.

Der Forschungsprozess besteht aus zwei Teilen und besteht aus numerischem Design und anschließendem physischem Prototyping. Für die Zwecke dieser Forschung wurde eine Fallstudienstruktur verwendet, die auf einem Pavillon basiert, der an der Singapore University of Technology and Design gebaut wurde (Sevtsuk und Kalvo 2014). Die Struktur wurde zunächst mit tragenden Rohrglaselementen in Rhinoceros 6 neu entworfen und mit Grasshopper und dem strukturellen FEA-Plugin Karamba3D parametrisiert. Ziel ist es, den Einsatz von TO für den Entwurf struktureller Gitter-Schale-Knoten aus Gussglas zu untersuchen, die die röhrenförmigen Glaselemente verbinden. Mithilfe der Dimensionierung der Glasschalenstruktur werden die Abmessungen und die Form der zu optimierenden Glasknoten bestimmt, während das FEA-Modell die Kräfte auf den Knoten liefert, die zur Optimierung und strukturellen Validierung verwendet werden.

Für die Optimierung werden neben funktionalen Kriterien, die auf der Montage und Installation der Struktur basieren, mehrere Designkriterien in Bezug auf den Gieß- und Glühprozess von Glas festgelegt, die aus Beobachtungen an vorhandenen Glasgussteilen abgeleitet werden. Diese werden dann bei der Optimierung der ausgewählten Knoten mithilfe der belastungsbasierten Optimierung in ANSYS Workbench angewendet. Dieses Programm war nicht nur über eine akademische Lizenz zugänglich, sondern wurde auch aufgrund seines umfangreichen TO-Toolsets sowie seiner integrierten Modellierungs- und FEA-Tools ausgewählt. Es kommt eine Designschleife zum Einsatz, in der eine Basisgeometrie in Grasshopper generiert wird, gefolgt von Optimierung, Nachbearbeitung und FEA in ANSYS. Basierend auf diesen Ergebnissen können die anfänglichen Geometrie- und Optimierungsparameter nach Bedarf angepasst werden.

Basierend auf dem endgültigen Knotendesign werden zwei unterschiedliche Formtechniken zur Herstellung solcher komplex geformten, maßgeschneiderten Glaselemente mithilfe der additiven Fertigung durch den Ofenguss kleiner Prototypen im Glaslabor erforscht: (i) ein Einweg-Silikat -Gipsform aus Feinguss und einem 3D-gedruckten Wachselement und (ii) eine von ExOne hergestellte 3D-gedruckte Sandform.

Fallstudiendesign

Eine umfangreiche Dokumentation des SUTD-Grid-Shell-Projekts wurde über das SUTD bereitgestellt (Feige.5 ). Dieses Projekt wurde aufgrund seiner Freiformform ausgewählt. Da jeder seiner Knoten ohne einheitliche, sich wiederholende Elemente eindeutig optimiert wird, wird es möglich, eine komplex geformte Struktur ohne große zusätzliche Investitionen zu realisieren. Darüber hinaus ist die Schale als kompressionsbasierte Struktur konzipiert, wodurch das Risiko verringert wird, dass die Glaselemente erheblichen Zugspannungen ausgesetzt werden – wobei Glas eine deutlich schwächere Leistung aufweist.

Die Struktur der Hülle wurde als hybride Stahl-Glas-Anordnung neu gestaltet. Die Träger des Gitters bestehen aus extrudierten Glasrohrprofilen, die zwischen zwei POM-Kunststoffkappen eingespannt sind. Diese werden von einer zentralen Stahlstange gehalten, die durch das Glasprofil verläuft (Feige.6 ). Für den Aufbau der Struktur wird das folgende Prinzip angewendet (Feige.7 ): Ein dünner Stahlring wird in einen zylindrischen Hohlraum in der Mitte jedes Knotens eingesetzt. Durch diesen Ring können Bolzen gesteckt werden, die über eine Überwurfmutter mit den Stahlstäben der umliegenden Träger verbunden werden. Auf diese Weise verleiht das Glas der Struktur Steifigkeit und trägt die Drucklasten, während direkte Zuglasten von der Stahlunterkonstruktion übertragen werden, wodurch die inhärenten Eigenschaften beider Materialien effizient genutzt werden.

TO als Werkzeug für Strukturglas – spannungs-dehnungsbasierte Optimierung

Bei der Verwendung von Werkzeugen zur Topologieoptimierung (TO) für Glas treten bestimmte Komplikationen auf, da die meisten verfügbaren TO-Werkzeuge für den Einsatz in duktilen Materialien mit vergleichbarer Zug- und Druckfestigkeit ausgelegt sind. Glas ist jedoch ein sprödes Material, dessen angenommene Zugfestigkeit mindestens eine Größenordnung niedriger ist als die angegebene Druckfestigkeit.

Bei TO-Werkzeugen lassen sich zwei unterschiedliche Ansätze unterscheiden: die spannungsbasierte und die dehnungsbasierte Optimierung. Stressbasierte TO zielt darauf ab, die Spannung in einem Objekt für einen bestimmten Satz von Randbedingungen zu minimieren. Die meisten spannungsbasierten Methoden vereinfachen diese Berechnung durch die Verwendung eines Mises-Spannungskriteriums, bei dem es sich um eine Abstraktion handelt, die nicht zwischen Zug und Druck unterscheidet. Dies ermöglicht einen vereinfachten und schnelleren Optimierungsfortschritt, schränkt jedoch die Anwendbarkeit bei sprödem Glas ein, bei dem Hauptspannungen die Ursache für das Versagen sind. Im Wesentlichen bietet das Von-Mises-Kriterium eine äquivalente Zugspannung, die zur Vorhersage des Fließens von (duktilen) Materialien unter mehrachsigen Belastungsbedingungen verwendet wird.5

Im Vergleich dazu hängen die Hauptspannungen, die für die Glaskonstruktion gelten, stark von der Referenzebene ab, die sich jedes Mal ändert, wenn sich die Geometrie ändert. Dies macht ihre Implementierung in einer TO-Umgebung zu einer besonderen Herausforderung. Darüber hinaus führen die Mises-Spannungskriterien bei der Anwendung auf Glas dazu, dass die erheblich geringere Zugfestigkeit zum begrenzenden Faktor wird (typischerweise liegen sie bei 30–45 MPa für getempertes Natronkalkglas6 und 22–32 MPa für Borosilikatglas (O' Regan). 2014; Granta Design Limited 2015)), wodurch die deutlich höhere Druckfestigkeit des Materials (von (Ashby und Jones 2006) bis zu 1000 MPa) nicht ausreichend genutzt wurde, während (Oikonomopoulou et al. 2017) Experimente mit Borosilikatglas durchgeführt hat, die darauf hinwiesen eine nominelle Druckversagensspannung > 500 MPa).

Darüber hinaus weist spannungsbasiertes TO eine starke Netzabhängigkeit auf, wobei unterschiedliche Netzlayouts und -größen zu unterschiedlichen optimierten Geometrien führen (Bendsøe und Sigmund 2003). Derzeit werden TO-Werkzeuge erforscht, die für spröde Materialien geeignet sind, wobei der Schwerpunkt im Allgemeinen auf der Betonkonstruktion liegt und eine prinzipielle spannungsbasierte Optimierung (Jewett und Carstensen 2019; Chen et al. 2021) oder eine duale Materialoptimierung (Gaynor et al. 2013) zum Einsatz kommt. Im Gegensatz zur von Mises-basierten Optimierung können diese Methoden zwischen den zulässigen Werten für Zug- und Druckspannung in den Elementen unterscheiden. Allerdings befinden sich diese Methoden noch in einem frühen Entwicklungsstadium und sind aufgrund ihrer Komplexität bisher auf zweidimensionale Fallstudien beschränkt.

Dehnungs- oder nachgiebigkeitsbasierte TO ist ein anderer Ansatz, der darauf abzielt, die Steifigkeit eines Objekts zu maximieren. Im Vergleich zur spannungsbasierten Optimierung bietet sie eine höhere Steifigkeit und ist gleichzeitig weniger abhängig von der Vernetzung. Obwohl dieser Ansatz zuverlässigere Geometrien liefern sollte, bietet er wie die spannungsbasierte Optimierung keine Unterscheidung zwischen den zulässigen Zug- und Druckspannungswerten. Da zudem Spannungen nicht direkt berücksichtigt werden, kann es zu lokalen Spitzenspannungen kommen. Da Glas nicht in der Lage ist, sich plastisch zu verformen, um diese lokalen Spitzen neu zu verteilen, ist auch in diesem Fall eine Nachanalyse unerlässlich, um zu überprüfen, ob die resultierenden Spannungen innerhalb der zulässigen Grenzen liegen.

Es wird geschlussfolgert, dass beide vorgestellten Optimierungsansätze Mängel aufweisen, wenn sie auf spröde Materialien mit erheblichen Schwankungen zwischen Zug- und Druckfestigkeitswerten, wie z. B. Glas, angewendet werden. Für das Ziel dieser Forschung wird die TO-Analyse eines dreidimensionalen Elements bevorzugt, da diese eine bessere Untersuchung der Dickenreduzierung ermöglicht, die wiederum einen großen Einfluss auf das Glühverhalten von Gussglas hat. Wir haben uns für die auf Compliance basierende TO-Analyse entschieden, da wir der Meinung sind, dass sie eine bessere Untersuchung der Dickenreduzierung der spröden Gussglaskomponente ermöglicht. Ähnlich wie eine spannungsbasierte Optimierung unterscheidet auch die belastungsbasierte Optimierung nicht zwischen Zug und Druck, und nach der Optimierung ist eine zusätzliche Analyse erforderlich, um mögliche lokale Spitzenspannungen zu prüfen. Dennoch stellen wir fest, dass im Vergleich dazu bei einer spannungsbasierten Optimierung die deutlich geringere Zugfestigkeit von Glas als Haupteinschränkung gelten würde, wodurch die deutlich höhere Druckfestigkeit des Materials noch stärker ungenutzt bliebe.

Designziele zur Reduzierung der Glühzeiten

Es wurden vier geometrische Eigenschaften formuliert, von denen erwartet wird, dass sie die Glühzeit eines massiven Glasobjekts verkürzen (Tabelle 1).

Tabelle 1 Geometrische Eigenschaften und Topologieoptimierungsziele für beschleunigtes Tempern –Tisch in voller Größe

Die Begrenzung der Masse reduziert die Gesamtzeit, die zum Glühen des Elements benötigt wird, indem das Volumen des erhitzten Materials, das gekühlt werden muss, verringert wird. Unter Verwendung von TO wurden in der Praxis Volumenreduktionen zwischen 60 und 80 % im Vergleich zu nicht optimierten Geometrien festgestellt (Galjaard et al. 2015; Jipa et al. 2016).

Das Fehlen scharfer Kanten und eine gleichmäßige und dünne Schnittdicke im gesamten Objekt sind entscheidend für das Erreichen einer homogenen Abkühlrate im gesamten Gusselement (Oikonomopoulou et al. 2018a). Sowohl scharfe Ecken als auch dünne Abschnitte kühlen schneller ab als der Rest des Objekts, was zu einer ungleichmäßigen Schrumpfung und somit zu unerwünschten inneren Spannungen führt. Basierend auf der vorgeschlagenen Verrundung, die bei den Glasblöcken des Crystal Houses-Projekts verwendet wird (Oikonomopoulou et al. 2018b), wird eine minimale Verrundung mit einem Radius von 3 mm für scharfe Ecken angenommen. Es ist zu beachten, dass in TO-generierten Geometrien im Allgemeinen keine scharfen Winkel zu finden sind. Der Optimierungsprozess wendet Material so an, dass Spannungen und Dehnungen minimiert werden, während scharfwinklige Elemente entweder zu Spannungskonzentrationen führen oder nur wenig zur Steifigkeit des Objekts beitragen.

Um dünne und homogene Abschnitte zu erzeugen, wurden in ANSYS für den Optimierungsprozess eine Reihe von Fertigungsdickenbeschränkungen festgelegt. Aufgrund empirischer Gusserfahrungen wurde eine minimale Abschnittsdicke von 15 mm gewählt, da es schwierig sein könnte, dünnere Abschnitte erfolgreich zu gießen, während mehrere maximale Dicken zwischen 30 und 50 mm verwendet wurden. Dies vermeidet die mit dicken Profilen verbundenen langen Abkühlzeiten und stellt gleichzeitig sicher, dass die Profildicken relativ homogen bleiben.

Nicht optimiertes Bauteil: Nutzlasten und Abmessungen

Es wurde ein parametrisches Setup erstellt, das automatisch eine nicht optimierte Basisgeometrie für jeden Knoten generiert und die auf den Knoten ausgeübten Lasten auflistet. Es wurde ein Knoten mit einem Durchmesser von 240 mm und einer Dicke von bis zu 95 mm ausgewählt; Ein zentraler Hohlraum mit einem Durchmesser von 100 mm erwies sich aufgrund der Montageanforderungen als am besten geeignet, da dies als die Mindestgröße gilt, die zum Einsetzen und Befestigen einer Schraube im zentralen Ring erforderlich ist. Basierend auf einer Strukturanalyse in Karamba3D unter Verwendung der Dauerlast der Hülle, einer Verkleidung von 0,5 kN/m2 und einer Windlast von 0,6 kN/m2 (repräsentativ für Bauwerke mit einer Höhe von weniger als 4 m in einer niederländischen Küstensituation) wurden die Glasträger des Die Schalen wurden als Glasrohre mit einem Außendurchmesser von 50 mm und einer Wandstärke von 9 mm dimensioniert. Das resultierende nicht optimierte Element ist in Abb. 8 dargestellt. Die Biegemomente, Scherkräfte und Drucknormalkräfte wurden an den äußeren Verbindungen angewendet, an denen die Glasträger mit dem Knoten verbunden sind (rot), während alle Zugnormalkräfte an den Knotenpunkten angewendet werden zentralen Stahlring (blau), da diese Lasten nicht vom Glas getragen würden.

Die groben Geometrien wurden nach der Optimierung mit Spaceclaim, der in ANSYS enthaltenen Modellierungssoftware, nachbearbeitet. Die Schrumpffolien- und Glättungswerkzeuge wurden manuell angewendet, um die gefundenen Elemente neu zu vernetzen, wodurch ungültige Netzelemente entfernt und gleichzeitig eine glatte Oberfläche gewährleistet wird. Darüber hinaus wurden mehrere Elemente an den Balkenanschlüssen und am Mittelring wieder eingefügt, um eine ordnungsgemäße Verbindung des Knotens mit der restlichen Struktur zu gewährleisten (Abb. 9).

Es wurden drei Optimierungsiterationen durchgeführt (Tabelle 2), auf die in den folgenden Kapiteln näher eingegangen wird. Für die Optimierung wurden zwei Knoten ausgewählt (Abb. 10), die durch eine Kombination aus hohen Schalendruckkräften und Umfangszugkräften in den angrenzenden Trägern gekennzeichnet sind.

Tabelle 2 Übersicht über Optimierungsiterationen für das Glasknotendesign –Tisch in voller Größe

Tabelle 3 enthält die Eigenschaften des Glases, das für die Optimierung und anschließende FEA verwendet wurde. Die Wahl fiel auf Borosilikatglas, da es im Vergleich zu herkömmlichem Kalk-Natron-Glas ein günstigeres Aushärtungsverhalten aufweist. Die Festigkeitswerte von Glas können je nach verwendeter Literaturquelle stark variieren. Für diese Untersuchung wurden konservative Werte gewählt.

Tabelle 3 Materialeigenschaften des bei TO und FEA verwendeten Glases –Tisch in voller Größe

Während des gesamten Prozesses bestand das Optimierungsziel darin, die Compliance zu minimieren, und es wurde eine einheitliche Maschenweite von 8 mm verwendet. Der Prozentsatz des nach der Optimierung erhaltenen Materials und die zulässige Abschnittsdicke wurden in jeder Iteration variiert, um ihren Einfluss auf die resultierende Geometrie zu beobachten.

Optimierung TO1, minimale Steifigkeit durch verteilte Belastung.

Die erste Optimierung wurde anhand von zwei Lastfällen durchgeführt. Der erste angewendete Lastfall ist die Dauerlast der Schalenstruktur, da diese die primäre Eigenlast darstellt, die der Knoten voraussichtlich tragen wird. Eine alleinige Optimierung auf diese Belastung birgt die Gefahr, dass durch Überoptimierung eine Knotenkonstruktion mit unzureichender Steifigkeit entsteht, da die Optimierung keine externen Belastungen berücksichtigt. In (van der Linden 2015) wird eine minimale Steifigkeit erzeugt, indem auf jeden Balken des Knotens ein zusätzliches Biegemoment ausgeübt wird, wobei äußere Kräfte vorweggenommen werden, die bei der Optimierung nur für die Eigenlast der Struktur nicht berücksichtigt werden.

Ein Versuch, diesen Effekt nachzubilden, wurde durch Hinzufügen einer außerhalb der Ebene verteilten Netzlast von 0,5 kN/m2 entlang der gesamten Schale durchgeführt, wodurch eine garantierte Mindestlast an jedem Knoten gewährleistet wurde. Eine Übersicht aller Belastungen finden Sie in den Tabellen 9 und 10 im Anhang.

Wie in Tabelle 4 gezeigt, wurden 70 % und 80 % Materialabtrag getestet. Beide resultierenden Geometrien waren in der Lage, die Dauerlast der Schale zu tragen, ohne die Zugfestigkeit des Glases zu überschreiten (Abb. 11, 12).

Tabelle 4 Übersicht über die Optimierung TO1 -Tisch in voller Größe

Eine weitere FEA wurde mit einer zusätzlichen Windlast von 0,6 kN/m2 senkrecht zum Knoten durchgeführt, wobei die genauen Kräfte aus dem Karamba3D-Modell abgeleitet wurden. Unter dieser Belastung überschreiten die Zugspannungen an mehreren Stellen den für Glas zulässigen Wert (Abb. 13). Dies zeigt, wie TO gewichtseffiziente Geometrien für einen einzelnen vorherrschenden Lastfall generieren kann, dass diese Ergebnisse jedoch unzuverlässig werden, wenn die auftretenden Lasten davon abweichen. Der als Fallstudie ausgewählte Pavillon ist eine kleine, relativ leichte Struktur. Dadurch werden die Spannungen in der Struktur stark von der Windlast beeinflusst, was es schwierig macht, einen (vorherrschenden) Einzellastfall für die Knotenoptimierung zu ermitteln. Der Versuch, durch eine verteilte Netzlast eine minimale Steifigkeit zu erreichen, erwies sich als unzureichend, um einer externen Belastung standzuhalten. Dementsprechend wurde die Optimierung TO1 verworfen und zwei Varianten vorgenommen, um zu untersuchen, wie diese wechselnden Lasten im Optimierungsprozess berücksichtigt werden können.

Optimierung TO2, zwei Lastfälle

In dieser Iteration wurde eine Methode zur Optimierung eines Knotens für mehrere Lastfälle untersucht. In diesem Fall wurden zwei separate Optimierungen durchgeführt, die zwei unterschiedliche Lastfälle verwendeten: das Eigengewicht (Dauerlast) der Struktur und die Kräfte auf den Knoten, die sich aus einer Windlast von 0,6 kN/m2 senkrecht zum Knoten ergeben. Die für beide Optimierungen verwendeten Einstellungen sind in Tabelle 5 aufgeführt. Die Belastungen finden Sie im Anhang, Tabellen 11 und 12. Die beiden separaten optimierten Geometrien wurden schließlich zu einer einzigen Geometrie zusammengeführt (Abb. 14).

Tabelle 5 Übersicht über die Optimierung TO2 -Tisch in voller Größe

Die Strukturanalyse zeigt, dass das resultierende Element sowohl die Eigenlast als auch die Windlast tragen kann, die für die beiden Optimierungen verwendet wurden (Abb. 15). Eine weitere Analyse unter Verwendung einer Windlast in entgegengesetzter Richtung als Optimierungslast führt jedoch an mehreren Stellen zu einem Versagen aufgrund übermäßiger Zugspannungen (Abb. 16). Dies zeigt weiter, dass der TO-Prozess in der Lage ist, für einen oder mehrere vorgegebene Lastfälle zu optimieren, die resultierenden Geometrien jedoch Lasten, die von den vorgegebenen Entwurfslasten abweichen, nicht mehr effektiv tragen können. Ein solcher Ansatz ist besonders wichtig für eine Leichtbaukonstruktion wie diese, bei der Windlasten große Kraftverschiebungen verursachen; im Vergleich zu einer schwereren Struktur, bei der die Dauerlast der vorherrschende Lastfall bleibt.

Optimierung TO3, erhöhte Totlast

Den Erkenntnissen der vorangegangenen Optimierungen folgend und um sicherzustellen, dass die Dauerlast der Schale unter allen Bedingungen der vorherrschende Lastfall bleibt, wird die Schalenstruktur selbst modifiziert, um den relativen Einfluss schwankender Windlasten auf die Struktur zu verringern. Die Größe des Pavillons wurde in allen Dimensionen um 50 % vergrößert, während die Balken von 50 mm auf 80 mm Durchmesser und die Wandstärke von 9 mm auf 12 mm erhöht wurden.

Darüber hinaus wurde die Masse der Fassadenverkleidung von 0,5 kN/m2 auf 1,2 kN/m2 erhöht, was einen Wechsel von einer Leichtglasabdeckung zu einer Doppelverglasung darstellt. Die Abmessungen des Knotens wurden beibehalten. Als einzige Optimierungslast wurde die Eigenlast der Struktur verwendet. An den beiden Trägern, an denen der Knoten auf Zug beansprucht wird, wurden 3,0 kN Druckkräfte auf das Glas ausgeübt, um eine minimale Steifigkeit des Knotens zu gewährleisten. Eine Übersicht der Belastungen finden Sie in den Tabellen 13 und 14 im Anhang, die weiteren Einstellungen finden Sie in Tabelle 6.

Tabelle 6 Übersicht Optimierung TO3 -Tisch in voller Größe

Das endgültige Knotendesign ist in Abb. 17 dargestellt. Eine lineare Strukturanalyse wurde durchgeführt, um das Verhalten des Knotens sowohl unter Eigenlast als auch unter Wind zu testen. Es wurde eine reduzierte Windlast von 0,49 kN/m2 verwendet, was einem niederländischen Binnenstandort in geringer Höhe entspricht, wie im Eurocode vorgeschrieben. Bei verschiedenen Windlasten wurde festgestellt, dass die Zugspannungen den zulässigen Wert nicht überstiegen (Abb. 18).

Die Bestimmung der erforderlichen Glühzeit für ein Glasobjekt ist kompliziert, da sie von einer Vielzahl von Faktoren abhängt (Oikonomopoulou et al. 2018a). Nicht nur die Form und Massenverteilung des Modells, sondern auch die Größe der der Kühlung ausgesetzten Oberfläche, andere im Ofen vorhandene thermische Massen und die Eigenschaften des Ofens selbst beeinflussen den Glühzyklus. Obwohl es Literatur gibt, die versucht, den Glühprozess genau zu steuern, stützt sie sich oft auf unausgesprochene Annahmen und spezifische Umstände, die nicht allgemein anwendbar sind (Watson 1999).

Daher erfolgt eine empirische Abschätzung der voraussichtlichen Glühzeiten durch Vergleich mit vorhandenen Ergebnissen. Für einen quantitativen Vergleich wurden drei Kalknatron-Glasbausteinelemente aus dem Fassadenprojekt Crystal Houses ausgewählt, wobei die aufgezeichneten Abkühlzeiten gemäß (Oikonomopoulou et al. 2018b) verwendet wurden. Die Hauptaspekte, die die Glühzeiten bestimmen, sind der Glastyp, die Masse und die Dicke jedes Elements. Unter der Annahme, dass für alle diese Elemente das gleiche Natronkalkglas verwendet wird, kann durch den Vergleich von Masse und Querschnittsdicke die folgende Abschätzung vorgenommen werden (Tabelle 7). Die Optimierung TO1 wurde ausgeschlossen, da sich ihre Geometrie als ineffizient erwies, um einer externen Belastung standzuhalten.

Tabelle 7 Schätzungen der Glühzeit des für Gussglas optimierten Knotens basierend auf den Glühzeiten, die für die Gussglasbausteineinheiten der Crystal Houses-Fassade ermittelt wurden –Tisch in voller Größe

Ergebnisse des numerischen Designs

Eine Übersicht über die Optimierungsergebnisse finden Sie in Tabelle 8. Die Verwendung der topologischen Optimierung (TO) für den Entwurf eines Knotens, der sowohl das Gewicht/die Dauerlast der Hülle als auch eine variable Windlast tragen kann, erweist sich als schwierig, da a Ein Bauteil, das für die Aufnahme der Eigenlast der Struktur optimiert ist, wird anfällig für alle davon abweichenden markanten Lasten. Es ist möglich, die Belastbarkeit der Struktur zu erhöhen, indem ihre Massenverteilung für eine Kombination prominenter Lastfälle optimiert wird oder indem sichergestellt wird, dass der Optimierungslastfall unter allen Umständen der bestimmende bleibt.

Tabelle 8 Übersicht der Optimierungsergebnisse –Tisch in voller Größe

Obwohl etwaige direkte Zuglasten von der Metallunterkonstruktion aufgenommen werden, führen Biegemomente, die durch exzentrische Windbelastung der Schale entstehen, dennoch zu Zugspannungen. Da die in dieser Forschung angewandte auf Compliance basierende TO nicht zwischen Spannung und Druck innerhalb des Materials unterscheidet, kann gefolgert werden, dass die geringere Zugfestigkeit des Glases normativ bleibt, während seine hohe Druckkapazität nicht ausreichend genutzt wird.

Trotzdem konnten erhebliche Gewichtseinsparungen erzielt werden, wobei eine Reduzierung um 69 % bzw. 53 % für TO2 und TO3 festgestellt wurde. Darüber hinaus wurde die maximale Querschnittsdicke jeder Komponente von einer nicht optimierten Dicke von 95 mm auf 8–30 mm bzw. 20–40 mm reduziert. Empirische Glühzeiten, die aus dem Vergleich mit dem Crystal Houses-Projekt abgeleitet wurden, zeigen Reduzierungen von 90 % und 66 % im Vergleich zu den entsprechenden nicht optimierten Geometrien.

Es ist zu beachten, dass die anfänglichen Geometrien auf einer Schätzung des erforderlichen Volumens basierten und daher als überdimensioniert gelten sollten. Tatsächlich ist bei Compliance-TO-Ansätzen die optimale Materialverteilung eine der Haupteingabevariablen, die vom Wissen des Endbenutzers definiert wird und stark davon abhängt (Gebremedhen et al. 2017). Die angegebenen Massen- und Glühzeitreduktionen können daher als optimistische Schätzungen angesehen werden. Dennoch deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die durch TO erreichte Massenreduzierung dazu beitragen kann, den Glühprozess für strukturelle Gussglaskomponenten deutlich zu verkürzen.

In dieser Forschung werden zwei Ansätze der computergestützten Fertigung eingesetzt, um die komplexen und maßgeschneiderten optimierten Glasgeometrien mit ausreichender Präzision herzustellen. Der 3D-Druck der Form wurde dem direkten 3D-Druck des Glasknotens vorgezogen, da letzterer immer noch mit mehreren wichtigen Nachteilen konfrontiert ist: Obwohl die direkte additive Fertigung von Glas einige Fortschritte gemacht hat (Klein 2015), weist sie immer noch erhebliche Einschränkungen auf Größe und Formen, die erreicht werden können, während die Schichtung des Materials und die Zertifizierung nach wie vor berechtigte Bedenken bei der Herstellung von Strukturglaskomponenten sind.7 Darüber hinaus schränkt die Unfähigkeit, Überhänge zu drucken, die herstellbaren Geometrien ein oder erfordert die Einführung von Stützmaterial. Aufgrund dieser Überlegungen konzentriert sich diese Forschung stattdessen nur auf den Einsatz digitaler Fertigung zur Herstellung von Glasgussformen.

Üblicherweise werden für Glasgussteile entweder hochpräzise CNC-gefräste Metallformen oder kostengünstige Einwegformen verwendet (Abb. 19). Bei der Massenfertigung von Gussglaselementen werden häufig hochpräzise CNC-gefräste Formen aus Stahl oder Graphit eingesetzt, da diese für die Massenproduktion wiederverwendet werden können (Oikonomopoulou et al. 2018a). Diese wiederverwendbaren Formen können ein hohes Maß an Oberflächendetails und eine hohe Maßgenauigkeit liefern; Allerdings sind sie in der Regel mit hohen Herstellungskosten verbunden, was sie für Kleinserienfertigungen oder für einzelne, kundenspezifische Komponenten unwirtschaftlich macht. Darüber hinaus müssten solche Formen zum Gießen optimierter Elemente mit komplexer Form äußerst kompliziert sein und aus mehreren zerlegbaren Elementen bestehen, um ein Entformen zu ermöglichen; was sowohl die Herstellungszeit als auch die Kosten erhöht. Für kundenspezifische Komponenten werden in der Regel kostengünstige Einwegformen bevorzugt. Dennoch sind diese arbeitsintensiv und ergeben Komponenten mit eingeschränkter Genauigkeit, die einer Nachbearbeitung bedürfen (Oikonomopoulou et al.2020).

Aufgrund dieser Überlegungen werden hier 3D-gedruckte Einwegformen mit hoher Genauigkeit als kostengünstige Lösung für das Gießen maßgeschneiderter massiver Glaskomponenten mit komplexer Geometrie vorgeschlagen. Im Vergleich zum mühsamen und zeitaufwändigen Prozess herkömmlicher Feingussformen und den hohen Herstellungskosten hochpräziser Metallformen sind 3D-gedruckte Formen schnell, einfach und kostengünstig herzustellen und ermöglichen eine große Komplexität der Formen, einschließlich Hinterschneidungen und Hohlräume. In dieser Forschung wurden zwei Techniken zur Herstellung solcher Formen mittels additiver Fertigung untersucht: Wachsausschmelzguss unter Verwendung additiv gefertigter Wachselemente und 3D-gedruckte Sandformen.

Feinguss im Wachsausschmelzverfahren

Beim Feinguss wird die gewünschte Geometrie in einem Opfermaterial reproduziert; üblicherweise Wachs. Die Herstellung besteht aus mehreren Schritten, dargestellt in Abb. 20. Um die Einwegkomponente (Wachs) wird eine hitzebeständige Form geformt. Das Opferelement wird durch Erhitzen in einem als Ausbrennen oder Dämpfen bezeichneten Prozess entfernt, wobei eine hohle Form zurückbleibt, die zum Gießen geeignet ist.

Zur Herstellung der Opferelemente kann die additive Fertigung mittels Fused Deposition Modeling (FDM) eingesetzt werden. Dafür wurden spezielle Filamente entwickelt, die im Vergleich zu herkömmlichen Kunststoffen wie PLA bei niedrigeren Temperaturen ausbrennen und weniger Rückstände in der Form hinterlassen. Für diese Forschung wurde P2C-175-Filament verwendet. Hierbei handelt es sich um ein Filament auf Wachsbasis, das für den Feinguss entwickelt wurde und bei Machineablewax.com erhältlich ist. Mit einem herkömmlichen FDM-Drucker wurden zwei optimierte Knoten im Maßstab 1:2 gedruckt.

Um die Gussqualität zu verbessern, wurden dem Wachsmodell mehrere temporäre Elemente hinzugefügt. Dazu gehören ein größerer zentraler Kanal zum Ausgießen des Glases, sechs vertikale Kanäle, um zu verhindern, dass Luftblasen in der Form eingeschlossen werden, und einige zusätzliche Kanäle, um eine ordnungsgemäße Zirkulation des Glases in der Form sicherzustellen (Abb. 21). Um das gedruckte Wachselement (Abb. 22) wurde eine Silikatgipsform gegossen (Abb. 23). Nach dem Erstarren wurde die Form 6 Stunden lang bei 515 °C in einen Ofen gestellt, um das Wachsmodell auszubrennen.8 Der endgültige Gussglas-Prototyp ist in Abb. 24 zu sehen.

Das Glas wurde im Ofengussverfahren gegossen, da die Gipsform den höheren Temperaturen beim Heißgießen nicht standhalten kann. Beim Ofenguss werden Glasstücke in einen hitzebeständigen Behälter (z. B. einen Keramikblumentopf) über der Form gelegt. Beim Erhitzen schmilzt das Glas und fließt in die Form, wo es durch kontrollierte Absenkung der Ofentemperatur aushärten kann. Dadurch ist es möglich, das Objekt in einem einzigen Ofen zu gießen und zu glühen. Allerdings ist im Vergleich zu anderen Glasgussverfahren wie dem Heißgießen ein längerer Brennplan erforderlich, um sicherzustellen, dass das Glas ausreichend Zeit zum vollständigen Schmelzen hat (Abb. 25). Dieser Guss wurde unter Verwendung von recyceltem Schott B270 modifiziertem Kalknatronglas durchgeführt. Dieses Glas kann im Vergleich zu normalem Kalknatronglas bei einer niedrigeren Temperatur gegossen werden, mit einer Schmelztemperatur von 827 °C und einer Glühtemperatur von 482 °C.

Nach dem Abkühlen wurde die Silica-Gips-Form durch Eintauchen in Wasser erweicht, was das Zerbrechen und Entfernen der Form erleichterte, ohne dass die Glaselemente im Inneren beschädigt wurden. In der Nachbearbeitung wurden die hinzugefügten Luft- und Zirkulationskanäle sowie verbliebene scharfe Kanten mit Hilfe einer kleinen Handschleifmaschine entfernt.

Additiv gefertigte Sandformen

Es ist möglich, Formen direkt durch 3D-gedruckten Sand herzustellen, eine Produktionstechnik, die in der Metallgussindustrie verwendet wird. Diese Formen weisen eine hohe Hitzebeständigkeit auf und ermöglichen den Druck hochkomplexer Formen ohne zusätzliche Stützen. Weitere Vorteile gedruckter Sandformen sind ihre schnelle Herstellung (normalerweise auf wenige Tage begrenzt), niedrige Kosten und eine Genauigkeit von bis zu 0,1 mm (bezogen auf den verwendeten Sand).9

Das größte Element, das derzeit mit dieser Technik gedruckt werden kann, ist 4 m x 2 m x 1 m groß und wird mit dem Voxeljet-Drucker VX4000 verwendet. (Galjaard et al. 2015; Meibodi et al. 2019; Jipa et al. 2016) haben diese Methode zum Gießen komplexer topologisch optimierter Elemente in Stahl, Aluminium bzw. Beton angewendet (Abb. 26), während aktuelle Forschungen zu deren Verwendung vorliegen Formen für den Glasguss von (Flygt 2018; Oikonomopoulou et al. 2020) legen nahe, dass es als kostengünstige, hochpräzise Lösung für kundenspezifische Gussglasobjekte verwendet werden kann.

Für den Sanddruck stehen verschiedene Bindemittel zur Verfügung. Frühere experimentelle Arbeiten von (Bhatia 2019; Oikonomopoulou et al. 2020) haben gezeigt, dass anorganische Bindemittel, wie das CHP-Bindemittel von ExOne, am besten für das längere Erhitzen der Form auf die erforderlichen Temperaturen geeignet sind. Sie betonten auch die Notwendigkeit des Aufbringens einer Beschichtung, um ein gutes Oberflächenergebnis für im Ofen gegossene Bauteile zu erzielen; da die durch den Kontakt mit der Form entstehende Glasoberfläche grundsätzlich rau und durchscheinend ist. Vorläufige Tests von (Bhatia 2019) deuten darauf hin, dass Crystal Cast (Silikatputz) mit einem Pinsel aufgetragen wird, um die Formen zu beschichten – dies führte zu einer transparenten Oberfläche, die dennoch eine raue Textur aufweist. Daher ist weitere Forschung erforderlich, um eine Beschichtung zu finden, die eine völlig glatte Textur und eine transparente Oberfläche ergeben kann.

Dementsprechend wurde eine 3D-gedruckte Sandform mit CHP-Binder für den in Iteration TO2 entworfenen Knoten hergestellt. Die von ExOne im Maßstab 1:1 gedruckte Form besteht aus 4 horizontalen Schichten (Abb. 27), wobei ineinandergreifende Elemente dafür sorgen, dass die Schichten ausgerichtet bleiben. Die geschichtete Bauweise wurde gewählt, da sie die Entfernung von Sandresten nach dem Druck vereinfacht und die Geometrie für die Vorbearbeitung, beispielsweise für das Aufbringen von Beschichtungen, zugänglicher macht. Eine dünne Schicht einer Quarzputzbeschichtung (Crystal-Cast)10 wurde aufgetragen, um das Verschmelzen des Formsands mit dem geschmolzenen Glas zu verhindern und eine glatte Glasoberfläche zu gewährleisten, wodurch die erforderliche Nachbearbeitung reduziert wird (Bhatia 2019). . Diese Beschichtung wurde ausgewählt, weil sie leicht verfügbar und erschwinglich ist. Mit einem Pinsel wurde der flüssige Gips manuell in einer dünnen Schicht aufgetragen, die die bedruckte, wasserlösliche Sandform nicht angreift.

Zum Gießen des Glases wurde eine Ofengussanlage verwendet. Basierend auf vorläufigen Ergebnissen von (Bhatia 2019) wurde festgestellt, dass für das gewählte Bindemittelmaterial Glas mit einer niedrigeren Schmelztemperatur vorzuziehen ist. Aus diesem Grund wurde (recyceltes) Bleiglas ausgewählt. Es wurde ein ähnlicher Brennplan wie zuvor verwendet, mit einer niedrigeren Schmelztemperatur von 810 °C und einer Glühtemperatur von 430 °C.

Die gedruckte Sandform konnte keine brauchbare Geometrie erzeugen, da sich beim Öffnen des abgekühlten Ofens herausstellte, dass die Sandform in sich zusammengefallen war (Abb. 28). Da das zum Drucken des Sandes verwendete Bindemittel weniger hitzebeständig war als angenommen, war es verdunstet, wodurch der Sand äußerst brüchig wurde und unter dem Gewicht des Blumentopfs auseinanderfiel. Dies scheint relativ früh im Brennplan geschehen zu sein, da in der Form nur wenig Glas gefunden wurde, was darauf hindeutet, dass die Form zusammengebrochen ist, bevor das Glas Zeit hatte, sich vollständig zu verflüssigen. Der Unterschied im Verhalten im Vergleich zu früheren Tests von (Bhatia 2019) lässt sich dadurch erklären, dass das Bindemittel aufgrund des Vollofengussverfahrens über einen deutlich längeren Zeitraum hohen Temperaturen ausgesetzt war.

Aus Zeitgründen konnten keine weiteren Experimente zur Verwendung sandgedruckter Formen für den Glasguss durchgeführt werden. In weiteren Untersuchungen von (Bhatia 2019) wurde ein Glaselement mit einem ähnlichen Aufbau erfolgreich gegossen (Abb. 29). In diesem Experiment wurde der Keramikbehälter (Blumentopf), der das Glas für den Guss enthielt, nicht direkt auf die Form gestellt, sondern separat abgestützt, um zu verhindern, dass er nach unten drückte und die Form zusätzlich belastete. Dadurch blieb die Form lange genug intakt, damit das Glas hineinfließen und sich verfestigen konnte.

Casting-Ergebnisse

Die durch Feinguss hergestellten Glaselemente weisen eine raue, geschichtete Textur auf; ein Abdruck der Textur, die durch das FDM-Verfahren zum Drucken des Opferwachselements erzeugt wurde (Abb. 30). Ein glatteres Element könnte durch die Verwendung eines Druckers mit einer höheren Auflösung oder durch Nachbearbeitung des Elements nach dem Drucken erreicht werden, um sichtbare Schichten zu entfernen; Letzteres könnte jedoch zu einem Genauigkeitsverlust führen.

Das resultierende Bauteil zeigt jedoch auch den hohen Detaillierungsgrad, der durch Ofenguss erreicht werden kann. Da das Glas über einen längeren Zeitraum über seinem Erweichungspunkt gehalten wird, um sicherzustellen, dass es sich vollständig verflüssigt, hat es ausreichend Zeit, sich in der Form abzusetzen und selbst die feinsten Details der Formtextur auf das Glas zu übertragen. Während der Entwurfsphase wurde geschätzt, dass eine Abschnittsdicke von 15 mm der kleinste Abschnitt wäre, der zuverlässig gegossen werden könnte. Der Detaillierungsgrad des 1:2-Feingusses zeigt, dass durch den Ofenguss dünnere Abschnitte erzielt werden können, was möglicherweise die Glühzeit der resultierenden Elemente weiter verkürzt.

Obwohl der Sandformguss aufgrund des Zusammenbruchs der Form kein gültiges Element hervorbrachte, haben andere Untersuchungen vielversprechende Ergebnisse erbracht. Weitere Forschung und Validierung sind erforderlich, um das Potenzial dieser Methodik zu erkunden.

Im Vergleich beider Herstellungsmethoden erwies sich der Feinguss mittels Wachsmodell aufgrund der mehreren Produktionsschritte und der zusätzlichen Nachbearbeitung durch die schichtweise Oberflächenveredelung und Stützen im Rahmen des FDM-Drucks als deutlich arbeitsintensiver. Obwohl die für diese Methode erforderlichen Werkzeuge und Materialien allgemein verfügbar sind, ist der FDM-Druck mit ausreichender Präzision ein langsamer Prozess.

Der 3D-Druck von Sandformen erfordert speziellere Werkzeuge, ermöglicht aber den direkten Druck von Formen mit hoher Präzision. Darüber hinaus ermöglicht die Größe der verfügbaren Drucker (bis zu 4 m x 2 m x 1 m beim Voxeljet-Drucker VX4000) den gleichzeitigen Druck mehrerer Elemente, was größere Losgrößen und eine kürzere Druckzeit pro Element ermöglicht. Der Arbeitsaufwand wird reduziert, da die Form direkt gedruckt wird. Darüber hinaus ermöglicht das Druckverfahren das Drucken komplexer Formen ohne Stützen, wodurch der Aufwand für die Nachbearbeitung reduziert wird. Das Entfernen des losen Sandes und das Auftragen von Beschichtungen vor dem Gießen zur Verbesserung der Oberflächenqualität erfordert jedoch einen hohen Arbeitsaufwand.

Die Topologieoptimierung (TO) ist eine leistungsstarke Entwurfsmethode für maßgeschneiderte Strukturelemente aus Gussglas. Neben einer erheblichen Reduzierung des Materialeinsatzes, die relativ leichte Strukturen ermöglicht, kann TO im Fall von strukturellem Gussglas die Herstellungszeiten und den damit verbundenen Energieverbrauch erheblich reduzieren, indem die Glühzeiten stark verkürzt werden. In den vorgestellten Fallstudien wurden die geschätzten Glühzeiten im Vergleich zu massiven, nicht optimierten Knoten um 67 bis 90 % verkürzt. In der Praxis könnte ein solcher Entwurfsansatz, der die Glasmassenverteilung im Wesentlichen an die erwarteten Entwurfslasten anpasst, dazu beitragen, eine der größten Herausforderungen bei der Herstellung von Gussglaselementen zu bewältigen und den Weg für eine weitaus breitere Verwendung von Gussglas als tragendes Material zu ebnen für monolithische Bauteile mit großen Abmessungen und interessantem Design, wie zum Beispiel transparente Bodenplatten, Brücken oder Fachwerke.

Es wurden Massenreduktionen zwischen 53 und 69 % erreicht, ursprünglich wurden Reduktionen von bis zu 85 % prognostiziert. Zu den Gründen für das höhere als erwartete Endgewicht gehört die Notwendigkeit, sowohl die ständige Belastung aufgrund des Eigengewichts der Struktur als auch die Windlasten zu optimieren, was dazu führte, dass in TO2 zusätzliches Material hinzugefügt wurde (im Wesentlichen bestehend aus zwei optimierten Elementen in einem) und TO3 (die Menge des entfernten Materials wurde verringert, um die Flexibilität zu erhöhen). Darüber hinaus wurde Material wieder eingeführt, um eine vollständige Verbindung zu den verbindenden Strukturelementen zu gewährleisten, was das Gewicht weiter erhöht.

Die Ergebnisse des Gusses eines maßstabsgetreuen Modells haben gezeigt, dass Elemente dünner als die geschätzte Mindestdicke von 15 mm gegossen werden können, wodurch die Glühzeiten weiter verkürzt werden können. Allerdings können die Formen, die für solche detaillierten Elemente benötigt werden, zu einem limitierenden Faktor werden, wenn man zum Beispiel den losen Restsand berücksichtigt, der aus der mit Sand bedruckten Form entfernt werden muss.

Eine der Herausforderungen beim Einsatz von TO war die Berücksichtigung variabler Lasten (z. B. Wind) im Entwurf. Es wurde gezeigt, dass TO in der Lage ist, hochoptimierte Strukturen zu entwerfen, die Lasten mit nur einem Bruchteil des ursprünglichen Materials tragen. Der Nachteil dieser Optimierung ist eine Verringerung der Flexibilität und der Fähigkeit der Struktur, unter wechselnden Belastungen gut zu funktionieren. Da die Überdimensionierung auf ein Minimum reduziert wird, sind Strukturen weniger in der Lage, Belastungen standzuhalten, die schwanken oder bei der Konstruktion nicht berücksichtigt wurden. Strukturen in der gebauten Umwelt sind einer Vielzahl von Belastungen ausgesetzt und erfordern ein gewisses Maß an Steifigkeit und Überdimensionierung, um unter allen Lastfällen zufriedenstellend zu funktionieren. Daher ist zu beachten, dass es sich bei TO nicht um eine allumfassende Strukturlösung handelt. Ist es sinnvoll, diesen Bemessungsansatz in Fällen zu verwenden, in denen ein oder mehrere dominante Lastfälle vorliegen (z. B. wenn die Eigenlast dominiert)?

Die Herstellung von Formen zum Gießen dieser komplexen, organisch geformten und einzigartig angepassten Geometrien bleibt eine Herausforderung und beruht auf Einwegformen, die mit CAM-Techniken wie der additiven Fertigung hergestellt werden. Der Feinguss unter Verwendung eines additiv gefertigten Opferprototyps hat gezeigt, dass hochkomplexe Glaselemente realisiert werden können, obwohl der derzeitige mehrstufige Prozess zeitaufwändig und arbeitsintensiv ist. Obwohl eine weitere Validierung erforderlich ist, glauben die Autoren, dass 3D-gedruckte Sandformen aufgrund ihrer hohen Genauigkeit und verbesserten Druckgeschwindigkeit im Vergleich zu herkömmlichen additiven Fertigungsmethoden das Potenzial haben, den Produktionsprozess von kundenspezifischen und perplexen Gussglaselementen erheblich zu verbessern. Hierbei ist zu beachten, dass es bei jedem Projekt, bei dem Gussglas verwendet wird, wichtig ist, dass die Herstellungstechnik der Formen frühzeitig im Prozess berücksichtigt wird, da sie einen erheblichen Einfluss auf die Designentscheidungen haben kann.

Grenzen dieser Forschung und weiterer Forschung

Da es keine traditionell gestalteten strukturellen Glasgitter-Schalenknoten gibt, wurden die optimierten Designs mit grob ausgewählten, nicht optimierten Geometrien verglichen. Diese anfänglichen Entwürfe können als überdimensioniert angesehen werden, was bedeutet, dass die festgestellten Gesamtreduzierungen bei Gewicht/Masse und Glühzeiten als relativ optimistisch angesehen werden können.

Der in dieser Forschung verwendete Compliance-basierte TO-Prozess unterscheidet nicht zwischen Zug- und Druckspannungen, was zu Elementen führt, in denen beide gleichermaßen vorhanden sind. Da Glas bei Druck mindestens eine Größenordnung stärker ist als bei Zug, entspricht dieser Ansatz nicht den strukturellen Eigenschaften des Materials. Dieses Verhalten könnte durch die Entwicklung eines TO-Ansatzes für Gussglas verbessert werden, der eine auf Prinzipspannungen basierende Optimierung oder Dual-Material-Optimierung verwendet.

Bei der aktuellen Methodik besteht die Nachbearbeitung der optimierten Geometrie aus einem sich wiederholenden und zeitaufwändigen manuellen Prozess. Wenn eine vollständige Glasstruktur, wie sie in der Fallstudie vorgeschlagen wird, realisiert werden soll, die aus vielen Gusselementen besteht, ist ein Grad an Automatisierung erforderlich, um ihre Machbarkeit zu verbessern. Die Anforderungen an die Elemente sowohl aus struktureller als auch aus fertigungstechnischer Sicht können klar definiert werden, während verfügbare Nachbearbeitungswerkzeuge, wie die in dieser Forschung verwendeten, bereits mit begrenzten Eingaben des Benutzers funktionieren. Aus diesem Grund halten die Autoren einen automatisierten, parametrischen Optimierungsprozess für machbar.

Weitere Tests sind unerlässlich, um das Potenzial 3D-gedruckter Sandformen zu erkunden und zu validieren. Die für diese Forschung verwendeten Sandformen versagten beim Gießen im Ofen, da das ausgewählte Bindemittel durch die Hitze des Ofens geschwächt wurde und unter dem Gewicht des geschmolzenen Glases zusammenbrach. Erste Ergebnisse von (Bhatia 2019) scheinen darauf hinzudeuten, dass ein anderes Bindemittel, ExOne Anorganic, eine bessere Beständigkeit gegenüber hohen Temperaturen aufweist als das in dieser Forschung verwendete Bindemittel.

Darüber hinaus sollte die Verwendung von Heißguss (Primärguss) anstelle von Ofenguss untersucht werden. Obwohl das Glas beim Heißgießen zunächst bei einer deutlich höheren Temperatur gegossen wird als die maximale Temperatur, die beim Ofengießen erreicht wird, ist die Sandform aufgrund der Tatsache, dass das Glas in einem separaten Ofen geschmolzen wird, erheblich hohen Temperaturen ausgesetzt kürzerer Zeitraum, wodurch möglicherweise die Verdunstung des Bindemittels verhindert wird.

Neben der Zusammensetzung der Form müssen noch einige andere Parameter weiter untersucht werden, um sicherzustellen, dass die Sandformen effektiv und mit minimaler Nachbearbeitung verwendet werden können. Dazu gehören die Wahl der Beschichtung sowie die Platzierung und Größe der beim Gießen benötigten Einlass- und Zirkulationskanäle.